基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監測系統的開(kāi)發(fā)

1、引言

　　藥廠(chǎng)環(huán)境條件中的溫度和濕度指標是其重要參數, 研制可靠且實(shí)用的溫濕度監測系統顯得非常重要。通常, 采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現溫濕度監測,具有布線(xiàn)麻煩、設備隨意移動(dòng)性不強等缺點(diǎn)。隨著(zhù)射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展, 無(wú)線(xiàn)通信功能的實(shí)現越來(lái)越容易, 數據傳輸速率也越來(lái)越快, 并且逐漸達到可以與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )相媲美的水平。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（wireless sensor network，WSN）是計算機、通信和傳感器3項技術(shù)相結合的產(chǎn)物，近年來(lái)得到了飛速發(fā)展，已成為計算機科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)活躍的研究分支[1]。而Zigbee是部署無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的新技術(shù), 已于2004年底推出。ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的名稱(chēng)。ZigBee過(guò)去又稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，目前統一稱(chēng)為ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：決定它將是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的最好選擇。1)功耗低；2）數據傳輸可靠；3）網(wǎng)絡(luò )容量大；4）兼容性；5）安全性；6）實(shí)現成本低；7）自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由。

　　本文以Zigbee技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套符合GMP藥廠(chǎng)要求的環(huán)境溫度/濕度監測系統，該系統符合美國食品與藥物管理局FDA Part 11標準。系統能對大面積的多點(diǎn)的溫度/濕度進(jìn)行監測，并將數據傳輸到PC機上進(jìn)行數據存儲與分析，并輸出打印曲線(xiàn)，在設備異常情況下還以多種形式的報警通知相應人員。同時(shí)系統具有強大的分級管理功能，為不同階層的用戶(hù)管理提供了一個(gè)多級的管理、監控平臺。

2、系統設計

2.1 ZigBee協(xié)議框架及其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

　　ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網(wǎng)絡(luò )通信的組網(wǎng)解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和API進(jìn)行標準化而制定的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議框架

　　在標準規范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC與PHY（物理層）規范，在2003年5月通過(guò)802.15.4標準； ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。802.15.4僅僅定義了實(shí)體層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層，并不足以保證不同的設備之間可以對話(huà)，于是便有了ZigBee聯(lián)盟。

　　在網(wǎng)絡(luò )層方面，ZigBee聯(lián)盟制訂可以采用星形和網(wǎng)狀拓撲，也允許兩者的組合，稱(chēng)為叢集樹(shù)狀。根據節點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡(jiǎn)功能設備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡(jiǎn)單且存儲體容量較小。FFD的節點(diǎn)具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。
　　
　　ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡(jiǎn)單，具體實(shí)現的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿(mǎn)足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節的ROM。

圖2 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構

2.2 系統整體結構

　　系統整體結構按照叢集樹(shù)狀拓撲結構來(lái)組織，如下圖3所示，由若干FFD、RFD，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)以及監控終端組成。

圖3 系統整體結構示意圖