基于ZigBee 技術(shù)的小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)

趙鋼

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

垃圾問題，伴隨人類文明的發(fā)展日益嚴(yán)重。 新浪網(wǎng)曾做過一項(xiàng)調(diào)查，在3435 名被訪者中，僅有38.6%的家庭給垃圾分了類。 很多市民很愿意配合垃圾分類這項(xiàng)工作，但困擾他們的問題是：垃圾該如何準(zhǔn)確分類。 在《關(guān)于廣州市資源環(huán)保考察團(tuán)赴臺(tái)考察情況的報(bào)告》中明確寫道，“雖然98%的人支持垃圾分類，但自覺參與垃圾分類、且相對(duì)投放準(zhǔn)確的不到30%。 ”

2013 年7 月，“垃圾不落地” 模式在廣州越秀區(qū)六榕街道試行近一年。 如今大部分街坊，垃圾不再混合堆放樓道，而是下樓再扔。盡管如此，可在分類的準(zhǔn)確度上，卻仍有待提高。

面對(duì)日益增長(zhǎng)的垃圾產(chǎn)量和環(huán)境狀況惡化的局面，我們需要通過科學(xué)的垃圾分類管理，最大限度地實(shí)現(xiàn)垃圾資源利用，減少垃圾處置量，改善生存環(huán)境質(zhì)量。 因此，研究一套便捷的可向用戶展示日常垃圾分類信息的系統(tǒng)是很有必要的。

1 無線通信技術(shù)選取

無線技術(shù)可以分為高速率和低速率兩類[1]，高速率無線技術(shù)主要包括Infrared Ray、Wi－Fi、HomeRF、Bluetooth、DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)、HiperLAN 和UWB(Ultra Wideband)等，低速率無線技術(shù)主要包括ZigBee 和Z－Wave(基于射頻的短距離無線通信技術(shù))。 可組網(wǎng)的無線技術(shù)特性如表1 所示。

表1 可無線通信技術(shù)特性比較Tab.1 Comparative study of wireless communication technology

其中ZigBee 自組自愈能力強(qiáng)，通信可靠，工作頻段靈活，最大傳輸范圍在10～75 m， 且理論上可組建65536 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)容量及250 kbps 的傳輸速率已完全滿足小區(qū)信息提示網(wǎng)絡(luò)的需要。

2 小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于ZigBee 的小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)際上是向住在小區(qū)的住戶展示日常生活垃圾的分類信息， 方便用戶查詢。 主要由終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee 路由器、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及服務(wù)器終端等組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 小區(qū)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Community ZigBee network structure

終端節(jié)點(diǎn)主要用于向用戶展示基本的垃圾分類規(guī)則，并收集轉(zhuǎn)發(fā)不確定分類垃圾的信息，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)路由器是建網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)，負(fù)責(zé)識(shí)別加入終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，并選擇合適的網(wǎng)絡(luò)路徑傳輸給協(xié)調(diào)器；ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)并對(duì)其進(jìn)行管理和維護(hù)，包括對(duì)新加入的設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，節(jié)點(diǎn)的加入和離開等。

3 小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)是基于ZigBee 技術(shù)[2-3]的信息提示網(wǎng)絡(luò)，選擇Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)CC2430。 CC2430 采用增強(qiáng)型8051MCU、32/64/128KB 閃存、8KBSRAM 等高性能模塊， 并內(nèi)置ZigBee 協(xié)議棧， 同時(shí)支持2.4 GHz、IEEE802.15.4/ZigBee 協(xié)議。

3.1 終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)[4]包括以下幾個(gè)部分：基于單片機(jī)的顯控錄音模塊、 紅外人體感應(yīng)模塊、CC2430 片上系統(tǒng)、32 MHz 系統(tǒng)時(shí)鐘和32.768 kHz 的實(shí)時(shí)時(shí)鐘、調(diào)試接口、天線以及電源。 其中單片機(jī)的顯控模塊主要用來顯示常用垃圾分類信息與社區(qū)每日推送的信息等， 紅外人體感應(yīng)模塊用于檢測(cè)靠近終端的居民從而喚醒終端，CC2430 片上系統(tǒng)主要完成服務(wù)器消息的接收與用戶消息的上傳，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Terminal hardware structure

3.2 ZigBee 路由器設(shè)計(jì)

由于終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[5]，一般會(huì)考慮低功耗的因素，故通信距離在100 m 左右，這個(gè)距離并不利于組建覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)，為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，可利用射頻前端CC2591，來提高發(fā)送功率以及接收靈敏度。 其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 路由器硬件示意圖Fig. 3 Structure of router hardware

CC2591 集成了+22 dBm 的功率放大器以及+6 dB 的低噪聲放大器，是一款高性能、低成本、低功耗，集成度最高的2.4 GHz 射頻前端。

3.3 ZigBee 天線的選取

由于小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)工作在居民小區(qū)， 故會(huì)存在2.4 GHz 頻帶，以家用無線設(shè)備為主的干擾源，如工作在2.4 GHz 的無線鍵鼠等。為使提示系統(tǒng)可覆蓋整個(gè)小區(qū)，需使用多種天線配合組網(wǎng)，在樓層間距離短，可采用PCB 板載倒F 型天線； 在樓宇間由于傳輸距離較遠(yuǎn)， 同頻干擾對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較大， 可使用具有較強(qiáng)方向性的八木天線與平板天線結(jié)合的方式，八木天線可用于路由器發(fā)射天線，平板天線可用于協(xié)調(diào)器接收天線。

4 小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)的整體流程

基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)[6]，其軟件性能取決于協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與應(yīng)用程序的開發(fā)。因此，軟件部分設(shè)計(jì)主要包括ZigBee 協(xié)議棧和ZigBee 模塊相關(guān)部分設(shè)計(jì)。

4.2 ZigBee 協(xié)議棧

協(xié)議棧[2]定義了通信硬件和軟件在不同級(jí)間協(xié)調(diào)工作的方式，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)是建立在ZigBee 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上的。ZigBee 協(xié)議棧采用分層結(jié)構(gòu)，由一組子層構(gòu)成；協(xié)議分層的目的，是為了使各層相對(duì)獨(dú)立，每一層都能提供特定服務(wù)，服務(wù)由協(xié)議定義，程序員只需關(guān)心與自身工作直接相關(guān)層級(jí)協(xié)議。

本設(shè)計(jì)中，采用Chipcon 公司開發(fā)的協(xié)議棧Z-Stack。 ZStack 協(xié)議棧是TI 提供的符合ZigBee 規(guī)范的免費(fèi)協(xié)議棧，可以完全運(yùn)行在CC2430 節(jié)點(diǎn)上。 它運(yùn)行在操作系統(tǒng)的抽象層（OSAL，Operating System Abstract Layer）上，而OSAL 采用了與Windows 程序類似的消息事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，通過觸發(fā)任務(wù)事件來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度。

4.3 ZigBee 模塊相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 模塊的工作，通過每層特定服務(wù)，完成設(shè)定的工作任務(wù)。各項(xiàng)服務(wù)都是通過服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)的，原語在程序中就相當(dāng)于一個(gè)可實(shí)現(xiàn)設(shè)定功能的函數(shù)， 每個(gè)事件都是由服務(wù)原語組成，它使一個(gè)設(shè)備的其中一層，可通過該層的服務(wù)入口與建立對(duì)等連接的設(shè)備相同層級(jí)進(jìn)行通訊。 原語通常分為以下四類型： 請(qǐng)求原語 (Request primitive)， 響應(yīng)原語(Response primitive)，指示原語(Indieation primitive)和確認(rèn)原語(Confirm primitive)。

ZigBee 設(shè)備都具有兩個(gè)基本功能，即加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 協(xié)調(diào)器和ZigBee 路由器還具有：允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，允許設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)，參與分配邏輯網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)近鄰設(shè)備列表等功能。

4.3.1 ZigBee 模塊協(xié)調(diào)器建網(wǎng)

一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)[2]有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)的建立由它發(fā)起。當(dāng)需要建立一個(gè)新的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器將經(jīng)過以下主要步驟，能量探測(cè)、主動(dòng)掃描，信道選擇，以及網(wǎng)絡(luò)短地址、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)、信標(biāo)周期等的確定。 其網(wǎng)絡(luò)建立流程如圖4 所示，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖5 所示。

圖4 協(xié)調(diào)器建網(wǎng)流程圖Fig. 4 The coordinator network flow chart

在協(xié)調(diào)器建網(wǎng)建網(wǎng)過程中， 初始化創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)使用了NLME-NETWORK-FORMATION.request 原語。設(shè)備NLME 將檢索主動(dòng)掃描返回的PAN 掃描符，找到其中現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)最少的第一個(gè)信道作為創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)的工作信道。 如果找不到合適的信道，NLME 將中止創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)的過程并通知上層：創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)失敗。如果找到合適的信道，NLME 將為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)。

ZigBee 協(xié)調(diào)器和ZigBee 路由器能夠允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，而ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)則不能，如果允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)過程初始化發(fā)生在一個(gè)ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)上， 節(jié)點(diǎn)NLME 將中止該過程。允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程通過NLME-PERMIT-JOINING.request 原語來初始化。

圖5 允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖Fig. 5 Allows a node to join the network flow chart

4.3.2 ZigBee 模塊路由器建網(wǎng)

路由器節(jié)點(diǎn)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)[7-8]中起接力的作用，終端節(jié)點(diǎn)、 路由節(jié)點(diǎn)以及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸都可以通過路由實(shí)現(xiàn)。 NLME_START_ROUTER 原語用來把一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備初始化成ZigBee 路由器，或用來重新配置一個(gè)ZigBee 路由器的超幀。 其參數(shù)：BeaconOrder 表示上層期望的網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)階數(shù)；SuperframeOrder 表示上層期望的網(wǎng)絡(luò)超幀階數(shù)；BatteryLifeExtension 取 值 為TRUE 時(shí)，NLME 將 請(qǐng) 求ZigBee路由器運(yùn)行時(shí)支持電池壽命延長(zhǎng)模式， 取值為FALSE 時(shí)，NLME 將請(qǐng)求ZigBee 路由運(yùn)行時(shí)不支持電池壽命延長(zhǎng)模式。其建網(wǎng)流程與允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程相似。

本設(shè)計(jì)的ZigBee 路由的建立過程采用按需路由協(xié)議AODV，該協(xié)議適合運(yùn)用于移動(dòng)頻繁或節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)較多的應(yīng)用場(chǎng)合。 在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中AODV 算法為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間路由路徑提供多種選擇，當(dāng)一條路徑失效，AODV 算法可快速尋找一條新的路由路徑來代替原來的路由，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力。

4.3.3 ZigBee 模塊終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程

終端節(jié)點(diǎn)主要用來傳遞用戶的不確定信息， 并向上發(fā)送至其上節(jié)點(diǎn)，最終發(fā)送到協(xié)調(diào)器，同時(shí)它也可以接收協(xié)調(diào)器發(fā)來的命令與信息。 子節(jié)點(diǎn)通過孤點(diǎn)方式連接網(wǎng)絡(luò)或者重新連接網(wǎng)絡(luò)的流程如圖6 所示。

圖6 子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)流程圖Fig. 6 Child nodes to join the network flowchart

終端節(jié)點(diǎn)通過發(fā)送NLME-JOIN.request 來執(zhí)行孤點(diǎn)方式網(wǎng)絡(luò)連接，其原語RejoinNetwork 參數(shù)設(shè)置為0x01。 如果子節(jié)點(diǎn)掃描到父節(jié)點(diǎn)成功（即孤點(diǎn)掃描），則網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體發(fā)送NLME-JOIN.confirm 原語通知上層請(qǐng)求連接執(zhí)行成功， 其原語狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為SUCCESS。 如果孤點(diǎn)掃描不成功，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體終止該流程， 并通過發(fā)送NLME-JOIN.confirm 原語告知上層沒有掃描到網(wǎng)絡(luò)， 其原語的狀態(tài)參數(shù)設(shè)置為NO_NETWORKS。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee 技術(shù)的小區(qū)垃圾分類提示系統(tǒng)，成功結(jié)合了ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率高，功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，自組自愈能力強(qiáng)，通信可靠等功能優(yōu)點(diǎn)，具有成本低，技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)合理，方便擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，在全面提高小區(qū)戶主環(huán)保意識(shí)的同時(shí)，為小區(qū)的垃圾分類管理，分類信息統(tǒng)計(jì)及垃圾回收研究提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，對(duì)研究我國(guó)城市垃圾分類及回收有一定的指導(dǎo)意義。

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