Zigbee无线网络在馆藏图书温湿度监控系统中的应用

Zigbee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络通信技术，适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，具有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间互相协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此，其通信效率非常高。Zigbee技术的主要优点有：省电、可靠、成本低、时延短、网络容量大、安全。它工作于无需注册的2.4GHz ISM 频段传输速率10 M~250KB/S,传输距离10~75m.完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。

如图1 为Zigbee协议架构。Zigbee 是在IEEE802.15.4基础上开发的应用于无线传感器网络上的通信协议。它屏蔽了IEEE 802.15.4协议层的一些复杂的细节问题，使开发人员能够在短时间内开发出产品。系统采用Zigbee协议进行设计开发。

CC2430的Zigbee协议栈中定义了3种设备：节点（End device）、路由器（Router）和协调器（Coordinator）。其中：Coordinator节点发起网络，等待Enddevice或Router节点加入。Enddievice只能作为采集和接受数据叶子节点加入网络，不具备数据转发的能力。Router节点的程序基本功能和Enddevice一样，Router作为Router或Enddevice的父节点，可以转发数据。Zigbee协议支持的网络结构有星状、树状和Mesh网络结构。温湿度数据采集与控制采用的是Router设备。与后台计算机相连的是Coordinator节点。

图1 Zigbee协议栈架构

2 基于Zigbee的馆藏图书温湿度监测系统的构成

档案管的档案，图书馆的藏书，温湿度过高或过低都很容易引起损坏。正常的保管温度范围为16~22℃，湿度为45%~55%RP.为此，研制了基于Zigbee的图书馆温湿度监控系统，使图书馆保持在一个恒定的温湿度范围。

2.1 传统馆藏图书温湿度监测系统的构成

传统的图书馆藏书温湿度监控系统的构成如图2所示。优点是传输距离较远，可靠性较高；缺点是布线困难，增加节点软硬件都需要重新设置。

图2 传统的图书馆藏书湿度监控系统

2.2 由Zigbee无线传感器组成馆藏图书温湿度监测系统

馆藏图书温湿度监控系统由温湿度传感器、控制器、射频发射器和接收机组成。温湿度传感器采用SHT11系列产品，SHT11系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出，通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小体积、极低功耗等优点使其成为各类应用中的首选。信号控制处理与发射接收单元采用chipcon 公司生产的2.4GHz射频芯片CC2430,该芯片延用了CC2420芯片架构，在单个芯片上整合了Zigbee射频（FR）前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128kB可编程闪存和8kB的RAM,并包含模拟数字转换器、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O 引脚。

安装在房间每一个点的温湿传感器将房间里的温湿度信息经射频发射器传送到控制室的接收器模块上，并显示温湿度。能够让管理员在控制室及时了解到各房间的温湿度情况及各控制器的运行状态。由Zigbee无线传感器组成的监测网络如图3所示。以Zigbee为基础的馆藏图书温湿度监测系统，不需要布线，网络容量大，可以管理更多的无线节点。网络中的无线节点可分为无线节点和控制节点，当温度越限时，通过无线节点启动空调和加湿或除湿设备来调节温湿度。

图3 馆藏图书温湿监控Zigbee无线监控系统

2.3 由Zigbee无线传感器构成馆藏图书温湿监测无线网络的硬件实现

馆藏图书Zigbee无线网络是一个星状网络，系统中有网络协调器和若干个无线测控节点。网络协调器设立在值班室或控制室内，负责建立和管理网络。并显示当前网络的状况。而无线节点则分布于每个书库中，负责采集温湿度值，并发送到网络协调器，网络协调器根据测量结果决定是否启动无线控制节点。如果超越温湿度允许值范围，则启动变频调速控制空调或加湿（除湿）设备，实现对图书馆的自动和手动温湿度调节。本温湿度监控系统的基本原理是测量及消除偏差，利用控制理论中PID（比例积分微分）控制。CC2430接收SHT11传感器温湿度数据（数字信号）进行PID 运算和输出。电器驱动电路控制的设备如加热、风扇、加湿器。利用单片机的I/O口作为控制端口，通过控制电磁继电器达到对电器的控制。

2.3.1 网路协调器的电路结构

以Zigbee发射接收、数据处理元件CC2430为核心的图书馆Zigbee无线网络协调器的电路结构如图4所示。

图4 网路协调器的电路结构

2.3.2 Zigbee无线节点

图书馆无线节点分别为测量节点和测量控制节点，如图5（a）、（b）所示。各书库中传感器测量出温湿度值，送给网络协调器，网络协调器将对测量进行分析，如果超越温湿度允许值范围，则通过网络中无线节点的控制节点启动变频调速控制空调或加湿机。

图5　图书馆无线测控节点结构

2.3.3 CC2430模块

CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的Zigbee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的Zigbee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于Zigbee之外2.4GHz频率的其他设备。

1）CC2430芯片的主要特点：高性能和低功耗的8051微控制器核，集成IEEE802.15.4标准的2.

4GHz的RF无线电收发机，优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，集成了14位模数转换的ADC,集成AES安全协处理器，带有2个强大的支持几组协议的USART,以及1个符合IEEE 802.

15.4规范的MAC计时器、1个常规的16位计时器和2 个8 位计时器，强大和灵活的开发工具。

CC2430的Zigbee基本组成如图6所示。

图6 CC2430结构

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2）典型应用电路。CC2430的典型应用电路如图7所示。

图7　CC2430的典型应用电路

3 馆藏图书温湿监控无线网络的软件设置

馆藏图书无线测控网络中的软件主要包括协议栈软件和应用软件。协议栈软件一般由芯片或Zigbee集成产商提供。系统基于Zigbee协议栈进行开发，应用开发主要针对具体应用开发出系统应用层软件程序。本应用的软件编程主要分为网络协调器应用软件和传感器测控应用软件。协调器负责管理网络、汇聚数据和提供与计算机管理软件的接口，传感器测控数据通过网络无线节点的控制节点控制是否启动变频调速控制空调或加湿机。本系统使用星形网络实现通信，网络配置一个网关（协调器）和多个传感器节点，在星形网络中所有的传感器节点只与网关通信，为实现这一功能，网关必须知道每个采集节点的网络地址，这需要每个节点在加入网络后把网络地址发送给网关，网关收到网络地址后建立地址表并存储，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。IEEE802.15.4MAC数据包最大长度为127字节，每个数据都由头字节和16CRC值组成，在数据传输中使用应答数据传输机制，设置ACK标志位为1的帧会被接收器应答，如果在一定期限内未收到应答，则证明采集节点发生错误。由CC2430元件为核心组成的Zigbee测控网络的协调器和控制节点的软件流程如图8、图9所示。 

图8　网络协调器程序流程

图9　RFD节点程序流程

4 结束语

Zigbee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标签技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。Zigbee无线网络成本低，双向全时的特点在馆藏图书温湿度监测等方面得到广泛的应用。