基于ZigBee的遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李妤薇

【摘要】 本文以現(xiàn)代通信建設(shè)中遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該項(xiàng)研究?jī)?nèi)容可以彌補(bǔ)目前一些遠(yuǎn)程機(jī)房進(jìn)行有線監(jiān)控的不足，具有一定的參考價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

【關(guān)鍵詞】 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一、引言

隨著我國(guó)現(xiàn)代通信業(yè)的快速發(fā)展，通信機(jī)房的設(shè)計(jì)與建設(shè)逐漸趨于科學(xué)化，并對(duì)無(wú)人值守遠(yuǎn)程機(jī)房的環(huán)境與設(shè)備監(jiān)測(cè)提出了智能化要求。針對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采用ZigBee技術(shù)研究構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)房?jī)?nèi)溫濕度、空調(diào)運(yùn)行狀況、消防煙感、紅外入侵、門(mén)禁電磁鎖控制和電源系統(tǒng)等綜合環(huán)境監(jiān)測(cè)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)房的物理環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)，要求獨(dú)立于機(jī)房?jī)?nèi)其他通信設(shè)施。由于機(jī)房?jī)?nèi)通信設(shè)備均采用有線通信方式，因此可以采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)解決方案，不存在通信干擾。數(shù)據(jù)采集終端要求使用獨(dú)立供電系統(tǒng)，作為低功耗的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以滿足自帶電源模塊的要求。傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息，通過(guò)上位機(jī)采用有線方式傳送給監(jiān)控中心主機(jī)，可以使用通信機(jī)房?jī)?nèi)自有傳輸資源以降低成本。

三、系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程機(jī)房和中心機(jī)房系統(tǒng)兩部分組成，遠(yuǎn)程機(jī)房?jī)?nèi)系統(tǒng)包括ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及上位機(jī)，中心機(jī)房?jī)?nèi)系統(tǒng)包括監(jiān)控主機(jī)和聲光報(bào)警裝置，兩個(gè)系統(tǒng)通過(guò)自有E1傳輸線路（2M）連接。

1）系統(tǒng)構(gòu)成

在基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，離散分布的眾多傳感器之間根據(jù)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相互協(xié)同工作以完成通信，網(wǎng)絡(luò)中的傳感器僅需要很少的能量便可以以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)有的是信息采集節(jié)點(diǎn)，有的是每個(gè)工作組的信息匯聚節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還包括一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（即集中采集器，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中稱為PAN協(xié)調(diào)器）。

整個(gè)遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用層次型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，最上層是中心機(jī)房監(jiān)控主機(jī)，往下依次是遠(yuǎn)程機(jī)房上位機(jī)和ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)，屬于樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。具體設(shè)備有：第一層的監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)主機(jī)、第二層的上位機(jī)（連接中心機(jī)房監(jiān)控主機(jī)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)）、第三層的ZigBee主節(jié)點(diǎn)（即協(xié)調(diào)器設(shè)備，它充當(dāng)集中采集器的角色）、第四層（底部）的路由器節(jié)點(diǎn)（PAN協(xié)調(diào)器）和各傳感器終端節(jié)點(diǎn)。

2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示。

在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器（Coordinator）負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送控制命令，路由器（Router）和終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）加入網(wǎng)絡(luò)，周期性地采集溫濕度、各類電壓/電流值發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過(guò)RS-232串口與上位機(jī)相連，把ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到的遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息發(fā)送給上位機(jī)。在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間在IEEE 802.15.4/ ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議框架下進(jìn)行無(wú)線通信，要求天線的輻射方向?yàn)槿?。系統(tǒng)工作原理如下圖2所示。

四、硬件組成

該系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和外圍設(shè)備組成。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能劃分為三部分：數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、傳感器模塊和電源模塊，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊使用完全兼容8051內(nèi)核和ZigBee2006協(xié)議棧的CC2430芯片；傳感器模塊包括溫濕度傳感器、熱釋電紅外傳感器、電壓傳感器；電源模塊則采用低功耗、低電壓工作的芯片來(lái)降低硬件電路的耗電量。外圍設(shè)備主要起到接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程傳輸和集中監(jiān)控的作用。

五、結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)ZigBee技術(shù)應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行的研究與設(shè)計(jì)，契合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的要求，具有一定現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。ZigBee技術(shù)屬于新興近距離無(wú)線通信技術(shù)，隨著其硬件和協(xié)議棧的不斷推陳出新，未來(lái)將會(huì)有更豐富的相關(guān)應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.5

[2]姚亞洲，吳棟，韓冰.基于ZigBee技術(shù)的電能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（2）

[3]ZigBee Specification[EB/OL].http：//www.ZigBee.org/Specifications.aspx