基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)

1、引言

　　藥廠環(huán)境條件中的溫度和濕度指標(biāo)是其重要參數(shù), 研制可靠且實用的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)顯得非常重要。通常, 采用有線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫濕度監(jiān)測,具有布線麻煩、設(shè)備隨意移動性不強(qiáng)等缺點。隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展, 無線通信功能的實現(xiàn)越來越容易, 數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越快, 并且逐漸達(dá)到可以與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network，WSN）是計算機(jī)、通信和傳感器3項技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，近年來得到了飛速發(fā)展，已成為計算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域一個活躍的研究分支[1]。而Zigbee是部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新技術(shù), 已于2004年底推出。ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：決定它將是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最好選擇。1)功耗低；2）數(shù)據(jù)傳輸可靠；3）網(wǎng)絡(luò)容量大；4）兼容性；5）安全性；6）實現(xiàn)成本低；7）自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由。

　　本文以Zigbee技術(shù)開發(fā)了一套符合GMP藥廠要求的環(huán)境溫度/濕度監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合美國食品與藥物管理局FDA Part 11標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)能對大面積的多點的溫度/濕度進(jìn)行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲與分析，并輸出打印曲線，在設(shè)備異常情況下還以多種形式的報警通知相應(yīng)人員。同時系統(tǒng)具有強(qiáng)大的分級管理功能，為不同階層的用戶管理提供了一個多級的管理、監(jiān)控平臺。

2、系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ZigBee協(xié)議框架及其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設(shè)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(biāo)準(zhǔn)物理層和媒體訪問控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee協(xié)議框架

　　在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂MAC與PHY（物理層）規(guī)范，在2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)； ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。802.15.4僅僅定義了實體層和介質(zhì)訪問層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對話，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?fù)?，也允許兩者的組合，稱為叢集樹狀。根據(jù)節(jié)點的不同角色，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡單且存儲體容量較小。FFD的節(jié)點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，而RFD則只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。
　　
　　ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡單，具體實現(xiàn)的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節(jié)的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節(jié)的ROM。

圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)按照叢集樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來組織，如下圖3所示，由若干FFD、RFD，一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點以及監(jiān)控終端組成。

圖3 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖