Zigbee无线网络在馆藏图书温湿度监控系统中的应用

1、第25卷第4期黑龙江工程学院学报(自然科学版Vo l .25.42011年12月J o u r n a l o f H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y D e c .,2011Z i gb e e 无线网络在馆藏图书温湿度监控系统中的应用徐泽清(黑龙江工程学院电子工程系,黑龙江哈尔滨150050摘要:Z i g b e e 是一种能满足低成本、低能耗无线通信技术协议标准,主要应用于近距离无线连接、控制。介绍Z i g -b e e 技术的主要特点,并通过Z i g b e e 传感器无线网络连接将馆

2、藏图书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各房间的温湿度情况及各控制器的运行状态。管理员能够设置各无线节点实现对图书馆的自动和手动温湿度控制。关键词:Z i gb e e ;I E E E 802.15.4;温湿传感器;系统;无线网络中图分类号:T N 98文献标志码:A 文章编号:1671-4679(201104-0067-05A p p l i c a t i o n o f t h e Z i gb e e w i r e l e s s n e t w o r k i n t h ec o n t r o l t e m p e

3、 r a t u r e a nd h u m i d i t yo f c o l l e c t i o n b o o k s X U Z e -q i n g(D e p t .o f E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ,H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n l n o g y ,H a r b i n 150050,C h i n a A b s t r a c t :Z i g b e e i s a w i r e l e s s c o m m u n i

4、 c a t i o n t e c h n o l o g y w i t h t h e c h a r a c t e r s o f l o w c o s t ,l o w c o n s u m p t i o n a n d e a s y o r g a n i z e d ,a n d i t u s u a l l y i s a p p l i e d i n t h e s h o r t -r a n g e w i r e l e s s c o n n e c t i v i t y a n d c o n t r o l .T h e t h e s i s h

5、 a s i n t r o d u c e d t h e c h a r a c t e r s o f t h e Z i g b e e t e c h n o l o g y ,t r a n s m i t t h e t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y i n f o r m a t i o n o f t h e c o l l e c t i o n b o o k s b y R F t r a n s m i t t e r t o t h e r e c e i v e r m o d u l e i n t h e

6、c o n t r o l r o o m t h r o u g h Z i g b e e w i r e -l e s s s e n s o r n e t w o r k s ,a n d d i s p l a y t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y .A d m i n i s t r a t o r s i n t h e c o n t r o l r o o m c a n r e -c e i v e s t h e i n f o r m a t i o n o f t h e r o o m t e m p e r

7、a t u r e a n d h u m i d i t y a n d t h e s i t u a t i o n o f t h e c o n t r o l l e r 's o p e r a t i o n .A d m i n i s t r a t i v e p e r s o n i s a b l e t o s e t u p t h e a u t o m a t i o n a n d w a r m h a n d m o v e m e n t h u m i d i t y u n d e r t h e c o n -t r o l o f t

8、 h a t e v e r y w i r e l e s s n o d e r e a l i z e s t o t h e l i b r a r y .K e y w o r d s :Z i g b e e ;I E E E 802.15.4;t e m p e r a t u r e a n d h u m i d i t y s e n s o r ;s y s t e m ;w i r e l e s s n e t w o r k 收稿日期:2011-03-07基金项目:黑龙江省教育厅科学技术研究资助项目(11511326作者简介:徐泽清(1964-,男,副教授,研究方向

9、:电子技术应用.1无线Z i gb e e 网络Z i gb e e 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。Z i g b e e 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2.4G H z I

10、S M 频段传输速率10M 250K B /S ,传输距离1075m 。完整的Z i gb e e 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Z i g b e e 联盟制定,I E E E 802.15.4负责物理层和链路层标准。如图1为Z i g b e e 协议架构。Z i g b e e 是在I E E E 802.15.4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I E E E 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Z i g b e e 协议进行设计开发。C C 2430的Z i

11、 g b e e 协议栈中定义了3种设备:节点(E n d d e v ic e 、路由器(R o u t e r 和协调器(C o o rd i n a -t o r 。其中:C o o r d i n a t o r 节点发起网络,等待E n d -de v i c e 或R o u t e r 节点加入。E n d d i e v i c e 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。R o u t e r节点的程序基本功能和E n d d e-v i c e一样,R o u t e r作为R o u t e r或E n d d e v i c e的父节点,可以转发数

12、据。Z i g b e e协议支持的网络结构有星状、树状和M e s h网络结构。温湿度数据采集与控制采用的是R o u t e r设备。与后台计算机相连的是C o o r d i n a t o r节点 。图1Z i g b e e协议栈架构2基于Z i g b e e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%R P。为此,研制了基于Z i g b e e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

13、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Z i g b e e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S H T11系列产品,S H T11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c h i p c o n公司生产的2.4G H z射频芯片C C2430,该

14、芯片延用了C C2420芯片架构,在单个芯片上整合了Z i g b e e射频(F R前端、内存和微控制器。它使用1个8位M C U (8051,具有128k B可编程闪存和8k B的R AM,并包含模拟数字转换器、几个定时器、A E S128协同处理器、看门狗定时器、32k H z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Z i g b e e无线传感器组成的监测网络如图3所示。以Z

15、i g b e e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Z i g b e e无线监控系统2.3由Z i g b e e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Z i g b e e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

16、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P I D(比例积分微分控制。C C2430接收S H T11传感器温湿度数据(数字信号进行P I D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Z i g b e e发射接收、数据处理元件C C2430为核心的图书馆Z i g b e e无线网络协调器的电路结构·86·黑龙江工程

17、学院学报(自然科学版第25卷如图4所示 。图4网路协调器的电路结构2.3.2Z i g b e e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 。2.3.3C C2430模块C C2430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ID E的I A R工业标准为支持,得到嵌入式机构很高的认可。它结合C h i p c o n公司全球先进的Z i g b e e协议栈、工具包和参考设计,展示了领

18、先的Z i g b e e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Z i g-b e e之外2.4G H z频率的其他设备。1C C2430芯片的主要特点:高性能和低功耗的8051微控制器核,集成I E E E802.15.4标准的2. 4G H z的R F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A D C,集成A E S安全协处理器,带有2个强大的支持几组协议的U S A R T,以及1个符合I E E E802.15.4规范的MA C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。C C2430的Z

19、i g b e e基本组成如图6所示 。图6C C2430结构2典型应用电路。C C2430的典型应用电路如图7所示。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Z i g-b e e集成产商提供。系统基于Z i g b e e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

20、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。I E E E802.15.4MA C 数据包最大长度为127字节,每个数据都由头字节和16C R C值组成,在数据传输中使用应答数据传输机制,设置A C K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C C2430元件为核心组成的Z i g b e e测控网络的协调器和控制节点的软件流程

21、如图8、图9所示。4结束语Z i g b e e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。Z i g b e e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。Z i g b e e 无线网络成本低,双向全时的特点在馆藏图书温湿·96·第4期徐泽清:Z i g b e e无线网络在馆藏图书温湿度监控系统中的应用·黑龙江工程学院学报(自然科学版第25卷·7 参考文献1韩旭东,张春业,李鹏.传感器无线互联标

22、准及实现J.电子技术应用,2004(11.2顾瑞红,张宏科.基于Z i g b e e的无线网络技术及应用J.电子技术应用,2005(6:1-31.3黄进宏,左菲,曾明.一种基于能量优化的无线传感网络自适应组织结构和协议J.电讯技术,2002,42(6. 4邹仕洪,张丽娜,程时端.一种高效的移动自组织网MA C协议J.北京邮电大学学报,2005,28(1:4347.5李文江,魏娟.无线传感器网络在瓦斯监控系统中的应用J.黑龙江科技学院学报,2008(11.6李晓维.无线传感器网络技术M.北京:北京理工大学出版社,2007.7姜堃,曹长修,纪强军.基于Z i g b e e技术的温度控制系统的实现J.自动化博览,2006(3.8舒怀林.P I D神经元网络对强耦合带时延多