基于ZigBee通信技術(shù)的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

陳震東

【摘? 要】 ZigBee是一種短距離、高效率、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，與藍(lán)牙類(lèi)似，但主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此可用于物聯(lián)網(wǎng)、家庭自動(dòng)化、工業(yè)控制、醫(yī)療監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，文章設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于ZigBee的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體框架，并對(duì)每個(gè)具體組成模塊進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)核心是利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)倉(cāng)庫(kù)溫濕度、火焰、煙霧等一系列環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程控制功能，可以通過(guò)上機(jī)位手機(jī)APP端軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境并且查看歷史數(shù)據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee；通信技術(shù)；倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)是研究人員從蜜蜂在飛行中對(duì)障礙物方位和距離的準(zhǔn)確判斷中得到啟發(fā)，從而研究出的一種新型的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。2001年ZigBee聯(lián)盟建立，隨后各大公司聯(lián)盟加入，共同合作研發(fā)出ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)，讓ZigBee得到了更為廣泛的運(yùn)用。在我國(guó)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛。

隨著物流行業(yè)的發(fā)展，對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求也逐步加大。對(duì)倉(cāng)庫(kù)環(huán)境而言，需要監(jiān)測(cè)的范圍較大，同時(shí)還要求設(shè)備有一定的抗干擾性。ZigBee的有效覆蓋范圍最大是75米，遠(yuǎn)超藍(lán)牙和WiFi。在相同的環(huán)境中，ZigBee抗干擾性也遠(yuǎn)優(yōu)于藍(lán)牙和WiFi，并且工作功耗遠(yuǎn)小于WiFi和藍(lán)牙的工作功耗。該系統(tǒng)具有低功耗、高可靠性、易部署等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)物流、冷鏈物流等領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測(cè)和控制倉(cāng)庫(kù)環(huán)境，提高倉(cāng)儲(chǔ)物流的安全性和效率。

一、ZigBee組網(wǎng)流程

（一）組建完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)

1. 將協(xié)調(diào)器設(shè)置為啟動(dòng)狀態(tài)，連接協(xié)調(diào)器到電源并預(yù)裝有ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線(xiàn)芯片。在協(xié)調(diào)器上執(zhí)行初始化操作并將其設(shè)置為啟動(dòng)狀態(tài)，以便開(kāi)始連接其他ZigBee設(shè)備。2. 配置協(xié)調(diào)器的自身信息，例如短地址PAN ID（個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)），通道及其他配置參數(shù)。這些參數(shù)將為網(wǎng)絡(luò)提供唯一的標(biāo)識(shí)符和屬性。3. 連接非協(xié)調(diào)器設(shè)備，將非協(xié)調(diào)器設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中。在添加設(shè)備之前，需要對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行一些設(shè)置，包括設(shè)置設(shè)備類(lèi)型，分配唯一地址，設(shè)置設(shè)備所在的PAN ID等信息。4. 建立設(shè)備之間的連接和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑒?chuàng)建設(shè)備之間的連接和構(gòu)建數(shù)據(jù)流動(dòng)路徑，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的連接和路由方式，以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需要。

（二）在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中加入一個(gè)新節(jié)點(diǎn)

1. 新節(jié)點(diǎn)通過(guò)掃描周?chē)腪igBee信道獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和其他設(shè)備的信息。一旦找到適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)器，新節(jié)點(diǎn)將發(fā)送一個(gè)加入請(qǐng)求并進(jìn)行對(duì)話(huà)。

2. 協(xié)調(diào)器接收到新節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求后，將分配給該節(jié)點(diǎn)一個(gè)唯一的地址。每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)短地址和一個(gè)長(zhǎng)地址，其中短地址是全網(wǎng)唯一的。

3. 新節(jié)點(diǎn)隨后會(huì)接收到一個(gè)包含網(wǎng)絡(luò)屬性的信標(biāo)幀，這些屬性包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的PAN ID、信道和其他屬性。新節(jié)點(diǎn)將使用這些屬性來(lái)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

4. 新節(jié)點(diǎn)將啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)同步過(guò)程，并向協(xié)調(diào)器發(fā)送一些必要信息以確保網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆€(wěn)定性。協(xié)調(diào)器將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他設(shè)備，以便網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都可以了解到新設(shè)備的存在。

5. 新節(jié)點(diǎn)完成上述步驟后，就可以開(kāi)始將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備。

需要注意的是，節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的成功與否取決于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如果網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備數(shù)量過(guò)多，則對(duì)新設(shè)備的加入可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)需求和場(chǎng)景進(jìn)行合理的設(shè)備數(shù)量和位置布置，以確保網(wǎng)絡(luò)的良好運(yùn)作。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

（一）芯片選型分析

ZigBee芯片可以根據(jù)芯片的功耗、射頻性能、功能集成度等方面進(jìn)行分類(lèi)，該系統(tǒng)采用的是CC2530芯片，主要原因在于其協(xié)議棧是部分開(kāi)源的，選用該芯片的成本更低。

（二）節(jié)點(diǎn)功能分析

倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)指的是對(duì)倉(cāng)庫(kù)中存儲(chǔ)的物品進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，以確保物品的安全和完整。這種監(jiān)測(cè)可以通過(guò)各種工具和技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如傳感器、視頻監(jiān)控、條形碼或RFID技術(shù)等。倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)可以幫助物流企業(yè)提高工作效率、降低運(yùn)營(yíng)成本，并提高客戶(hù)滿(mǎn)意度。為了存儲(chǔ)物品在倉(cāng)庫(kù)中不被損壞，倉(cāng)庫(kù)環(huán)境應(yīng)該和存儲(chǔ)物品的最佳保存環(huán)境保持一致，常見(jiàn)的環(huán)境一般包括溫度、濕度等等。此外一些常見(jiàn)安全隱患，例如火災(zāi)會(huì)對(duì)倉(cāng)庫(kù)造成的巨大損失，需要對(duì)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)以及煙霧監(jiān)測(cè)。除了安全隱患，還需要防范人為因素（防盜），因此需要識(shí)別人員通過(guò)紅外傳感功能，來(lái)監(jiān)測(cè)進(jìn)出倉(cāng)庫(kù)的人員?；谝陨戏N種原因選擇的傳感器如圖1所示。

（三）傳感器模塊選型

在倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，傳感器模塊的主要作用是采集環(huán)境數(shù)據(jù)并且傳輸給終端節(jié)點(diǎn)，例如環(huán)境溫度、濕度、有害氣體等。

該系統(tǒng)傳感器模塊主要包括：對(duì)火焰的監(jiān)測(cè)采用的是Risym火焰?zhèn)鞲衅鳎粚?duì)煙霧的監(jiān)測(cè)采用的是MQ-2煙霧傳感器，MQ-2是一種可靠地檢測(cè)空氣中多種有害氣體的氣體傳感器；采用DHT11傳感器進(jìn)行溫濕度監(jiān)測(cè)，傳感器中內(nèi)置一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件，保證其可靠性和穩(wěn)定性。對(duì)光照監(jiān)測(cè)采用的是光敏電阻傳感器，一般用來(lái)檢測(cè)探頭周?chē)饩€(xiàn)的強(qiáng)度，可以通過(guò)DO輸出數(shù)字信號(hào)1和0，或通過(guò)AO口輸出模擬信號(hào)；對(duì)防盜監(jiān)測(cè)采用的是人體紅外傳感器HC-SR501，其作為一種常用的人體紅外感應(yīng)模塊，可以探測(cè)人體的熱量，并輸出高/低電平，用于智能家居的人體檢測(cè)、安防等方面的應(yīng)用；采用MQ-135空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，傳感器的工作原理是利用化學(xué)吸附原理，在檢測(cè)過(guò)程中，傳感器將目標(biāo)氣體吸附在傳感器表面的半導(dǎo)體氧化物層上，并在受光、加熱的作用下，改變氧化物的電學(xué)性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的檢測(cè)和測(cè)量，主要用于測(cè)量空氣中甲醛、苯、二氧化碳、氨等有害氣體的濃度。

（四）蜂鳴器模塊選型

為了起到報(bào)警作用，該系統(tǒng)加入蜂鳴器模塊。蜂鳴器模塊采用的是有源蜂鳴器中的低電平觸發(fā)類(lèi)型，有源蜂鳴器是一種集成了驅(qū)動(dòng)電路的蜂鳴器，通常由振蕩器、驅(qū)動(dòng)器和共振腔組成。

（五）繼電器模塊選型

繼電器是一種電氣控制裝置，它可以用小電流控制大電流。繼電器通過(guò)一個(gè)電磁線(xiàn)圈來(lái)控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)電磁線(xiàn)圈激活時(shí) ，它會(huì)引起開(kāi)關(guān)的狀態(tài)改變，從而控制電路中的電流流動(dòng)。繼電器可以放大電信號(hào)，通過(guò)電磁線(xiàn)圈激活開(kāi)關(guān)來(lái)控制大電流的流動(dòng)。當(dāng)電流或電壓超出某些特定的限制時(shí)，繼電器可以斷開(kāi)或切換電路以保護(hù)。

（六）WiFi模塊選型

終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器之后，協(xié)調(diào)器需要通過(guò)WiFi模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給上機(jī)位。WiFi模塊采用的是ESP8266-01s。ESP8266具有Wi-Fi功能，可以通過(guò)串口通信和Wi-Fi實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器的互聯(lián)互通；體積小、低功耗和成本便宜。ESP8266模塊支持TCP/IP、UART、SPI、I2C等多種通信方式，支持輕松的連接WiFi網(wǎng)絡(luò)和訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)資源。使用ESP8266模塊，可以將現(xiàn)有的智能設(shè)備升級(jí)成互聯(lián)的，同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

（一）系統(tǒng)整體框架

圖2為系統(tǒng)整體框架圖，終端節(jié)點(diǎn)一負(fù)責(zé)采集火焰，煙霧，溫濕度數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)二負(fù)責(zé)采集可燃?xì)怏w，人體感應(yīng)，光照數(shù)據(jù)等。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)ESP8266的透?jìng)髂Ｊ絹?lái)傳輸數(shù)據(jù)給上機(jī)位平臺(tái)。

（二）系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)軟件

IAR Embedded Workbench（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為IAR）是一款完整的嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于開(kāi)發(fā)和調(diào)試嵌入式應(yīng)用程序。該環(huán)境提供了編譯器、調(diào)試器、鏈接器、庫(kù)函數(shù)等工具，使開(kāi)發(fā)人員可以在單個(gè)集成的環(huán)境中進(jìn)行完整的開(kāi)發(fā)工作。此外，IAR支持多種微處理器架構(gòu)，如ARM、MSP430、RISC-V等。

（三）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，需要進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后通過(guò)發(fā)送廣播信號(hào)，邀請(qǐng)其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)收到邀請(qǐng)信號(hào)后，會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信息。協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求后，會(huì)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并將新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。成功組建網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，包括節(jié)點(diǎn)加入、節(jié)點(diǎn)離開(kāi)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)等。協(xié)調(diào)器可以向節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令，控制其執(zhí)行特定的任務(wù)，節(jié)點(diǎn)也可以反過(guò)來(lái)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

（四）終端節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器組建好網(wǎng)絡(luò)后，對(duì)終端數(shù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行上電，終端節(jié)點(diǎn)便開(kāi)始進(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化完成后會(huì)開(kāi)始掃描信道，并且向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)周期性地發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

（五）上機(jī)位模塊設(shè)計(jì)

上機(jī)位模塊是用Android Studio設(shè)計(jì)的，Android Studio是由谷歌開(kāi)發(fā)的一個(gè)被設(shè)計(jì)用于Android應(yīng)用程序的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）。它基于IntelliJ IDEA ，可以為Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。

該IDE提供了豐富的功能，包括代碼審查、調(diào)試支持、版本控制以及其他自動(dòng)化功能。Android Studio還包括一個(gè)可視化布局編輯器，可以更快、更容易地創(chuàng)建Android應(yīng)用程序的UI。上機(jī)位模塊是整個(gè)系統(tǒng)交互的中心。上機(jī)位主要功能模塊由用戶(hù)管理、監(jiān)測(cè)控制、歷史記錄構(gòu)成。用戶(hù)必須然后在登錄界面填寫(xiě)正確賬號(hào)密碼，才能進(jìn)入管理界面。

四、結(jié)語(yǔ)

文章主要分析設(shè)計(jì)了基于ZigBee的倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體框架，接著詳細(xì)分成幾個(gè)具體模塊進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，以使倉(cāng)儲(chǔ)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)達(dá)到適用性更強(qiáng)，應(yīng)用更為廣泛和穩(wěn)定的目的。