ZigBee在气调冷藏库应用中的节点部署策略研究

摘　要：ZigBee是一种易于实现的无线网络传输技术，气调冷藏库是目前国内外较为先进的果蔬保鲜设施，将基于ZigBee的无线传感器网络应用于气调冷藏技术中，可以大大提高果蔬贮藏质量，并有效控制贮藏成本。根据ZigBee无线传感器网络节点部署规划的原则，结合气调冷藏保鲜的要求，进行网络节点的优化部署分析，研究了几种ZigBee无线传感器网络节点的部署方案。

关键词：ZigBee；气调冷藏；无线传感器网络

中图分类号：TS205.7

文献标识码：A

文章编号：1003-6997（2012）16-0059-03

中国将气调冷藏技术应用到果蔬贮藏的历史不长，手段比较传统，而且成本也较高，因此寻求一种有效的气调冷藏控制模式成为我国气调冷藏技术推广的关键所在。ZigBee是一种无线网络传输技术，成本低且可靠性高。根据ZigBee无线传感器网络的拓扑原则及气调冷藏库的具体结构，分析研究几种不同的ZigBee无线传感器网络节点部署方案，提出面向气调冷藏库信息采集的ZigBee无线传感器网络拓扑方案[1]。

1　气调冷藏保鲜技术特点

1.1　气调冷藏

气调冷藏库作为世界上最先进的果蔬贮藏保鲜设施，早在70年代就已在国外得到广泛应用。所谓气调冷藏，是指在相对密闭的贮藏环境中，人工调节O2、CO2、N2等气体的含量，达到适宜的分配比，并精确控制库内温度与湿度的贮藏方式。气调贮藏能够有效限制果蔬的呼吸强度，延缓其衰老和变质，贮藏效果非常好[2]。

1.2　气调冷藏的优势

1.2.1　贮藏时间长　气调冷藏库内的温湿度和气体成分被精确控制，从而在很大程度上抑制水果的呼吸作用，延缓果实的新陈代谢，一般比普通冷藏库长0.5～1倍。

1.2.2　保鲜质量高　水果在气调冷藏库内经过长期贮藏后，仍然颜色鲜艳，果肉鲜美，保鲜质量高。同时气调冷藏对果蔬的蒸腾及微生物的繁殖有很好的抑制作用，使果蔬贮藏期间因失水、腐烂等造成的损耗大大降低。

1.2.3　果蔬出库后货架期长　果蔬长期处于气调贮藏环境中，受生物体的“滞后效应”影响，出库后仍保持一段时间的低呼吸状态，有效延长出库后的存放时间。实验证明在保持相同质量的前提下，气调贮藏的货架期是普通冷藏库的3～4倍，便于果蔬的长途运输。

1.2.4　无污染　气调冷藏库是通过低氧环境来抑制果蔬呼吸和病霉菌的生长，无需通过化学药物或生物制剂进行防腐处理，卫生、安全、可靠性高。

2　ZigBee技术原理及特点

2.1　ZigBee技术原理

ZigBee是一种无线网络通信规范，能够在数以千计的小型传感器节点之间实现相互通信，信息的传输只需要很低的功耗，通信效率非常高。ZigBee主要用于近距离无线连接，可进行自动控制和远程控制，能够非常好地支持无线传感器网络。

ZigBee节点按功能可分为全功能节点（FFD）和精简节点（RFD），按网络角色可分为中心节点（协调器）、路由节点（中继器）和终端节点。FFD支持任何类型的拓扑结构，并能与任何节点进行通话，提供信息双向传输，可作为协调器、中继器或终端节点使用；RFD只支持星形结构，可与协调器、路由器通话，不能与终端节点通话，只能作为终端节点使用。RFD的优势在于精简内存和其他电路，降低了系统成本，提高电池寿命。

一个典型的ZigBee网络由一个协调器、多个路由器和多个终端节点组成。

2.2　ZigBee技术特点

2.2.1　功耗低　ZigBee工作在20～250 kb/s的较低速率，满足低速率数据传输的应用需求，节点发射功率仅需1 mW，同时ZigBee采取了休眠模式，因此功耗非常低。

2.2.2　成本低　ZigBee通过简化协议，降低对通信控制器的要求，使其模块的初始成本不到蓝牙的1/10，并且ZigBee是免协议专利费的。低成本使得ZigBee技术得到广泛应用。

2.2.3　时延短　ZigBee的响应速度非常快，一般情况下，节点连入网络需30 ms，从睡眠状态激活只需15 ms，活动设备接入信道只需15 ms，进一步节省了电能。

2.2.4　容量大　一个ZigBee网络中，由一个主节点最多可以管理254个子节点，同时上一层网络节点还可以管理主节点，使得一个ZigBee网络最多容纳65 000个节点，并且网络拓扑结构灵活。

2.2.5　可靠性高　ZigBee采取了碰撞避免机制，避免发送数据的竞争和冲突。在PHY层采用了直接序列扩频和频率捷变技术，因此抗干扰和多径的能力更强；在MAC层采用了自动请求重传以及帧缓存，当传输一帧时，如果接收端暂时不能接收，那么暂时缓存该帧，直到接收成功；在网络层允许冗余路径，支持网状路由，保证了网络的可靠性。

2.2.6　安全度高　ZigBee提供了三级安全模式：无安全设定、接入控制表（ACL）和128比特AES（高级加密标准）。这样，可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素灵活地采取适当的安全级别[3]。

3　ZigBee在气调冷藏库应用中的节点部署策略

将ZigBee无线传感器网络应用在气调冷藏库中，网络节点的主要任务是实现对环境湿度、温度和O2、CO2、N2浓度等量的精确测量，进行节点部署需要综合考虑网络节点的功能实现、覆盖范围和响应时间。

随机部署是最简单的一种节点部署方式，但可能会带来性能与需求不匹配,造成资源浪费等问题，而根据实际应用环境进行高质量的节点部署才能更好地实现和体现传感器网络本身的智能性。IEEE802.15.4协议明确了节点部署的3种标准拓扑结构：星形、树形和网络结构。结合气调冷藏库的具体工作状态，其库内大空间部分被果蔬填满，气流通过间隙流通，受阻严重，进行节点部署时也应充分考虑环境的影响。首先节点间距不宜太大，否则测量值会产生很大偏差，而且响应时间也不宜太大，否则应用业务实现不了。这就需要为不同特点的气调冷藏库设计不同的网络拓扑结构，设计不同应用环境下进行信息采集的节点部署策略[4]。