基于ZigBee无线传感器网络的仓库环境监测系统设计

摘要：设计了基于ZigBee CC2530的无线传感器网络的仓库环境监测系统，描述了系统的总体设计、硬件设计和软件设计。该系统以基于ZigBee CC2530的无线传感器网络为核心，通过各类监测节点对仓库环境信息进行采集，然后通过GPRS无线网络远程传输数据到机房服务器，实现了机房服务器对仓库环境的实时、远程和有效的监测。

关键词：ZigBee CC2530 无线传感器网络 环境监测 GPRS

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）10-0146-02

仓库作为物资供应体系的一个重要组成部分，承担着物资的存储、管理和调配的任务，仓库中的物资要保证数量，品质和安全，要做到防潮，防火，防盗等等，对仓库环境参数的监测显得尤为重要，目前，很多仓库的环境监测现状是使用人工监测，方法落后，或者使用有线监测方式，布置方式不灵活，还有不能实现无线远程监测等等，仓库的智能化监测是网络通信技术在现代工业生产中的应用，通过使用ZigBee无线传感器网络对仓库环境进行实时的监测，提供准确的实时数据，及时准确的掌握仓库的环境条件，为物资的存储提供有力的数据支持。

本文设计了一个基于ZigBee无线传感器网络的仓库环境监测系统，通过ZigBee无线传感器网络对仓库的温度、湿度、虫害、火灾等参数进行采集，通过GPRS无线网络远程传输到机房服务器，然后对采集的数据集中分析和处理，及时掌握仓库的环境参数，对异常情况作出及时的应对措施，以便减少损失、节约开支和提高生产效益。

1、无线传感器网络

1.1 无线传感器网络概述

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的具有计算和通信能力的微型传感器节点组成，通过无线通信的方式形成一个多跳的自组织的网络系统[1]，其作用是利用传感器节点来监测节点周围的环境，收集监测数据通过无线收发装置将数据以多跳的方式发送给汇聚节点（Sink节点），然后由汇聚节点通过有线或无线方式接入网络，将监测数据传送给客户端，综上所述，无线传感器网络通过大量传感器节点分工协作的方式实时感知、采集数据，并由无线网络处理感知对象的数据，并且传输给使用者[2]。

1.2 ZigBee无线通信技术

ZigBee是一种近距离、低功耗、低速率的无线通信技术，基于IEEE802.15.4协议标准。通过ZigBee通信模块可进行无线通信，ZigBee的特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速率、低成本[3]。ZigBee无线传输距离室内为30～50m，室外可达到100m，ZigBee的工作频率有三种：全球2.4GHz、美国915MHz和欧洲868MHz，通信速率在2.4GHz的时候为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。完整的ZigBee协议栈自上而下分为应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层、物理层。ZigBee网络的拓扑结构有星形、网状和混合状，这三种拓扑结构可以组成多种网络。

2、系统的总体设计

本系统结构图如图1所示，系统通过监测节点监测仓库各种环境参数，温度，湿度，紫外线，火焰，烟雾等，通过汇聚节点传输到GPRS无线通信网络，然后GPRS模块将数据由RS232串口传输到机房服务器，通过服务器软件分析处理，便于及早发现仓库中异常情况并作出及时的处理。

3、系统的硬件设计

3.1 传感器节点硬件设计

传感器节点是传感器网络的基本单元，传感器节点除了具有一般传感器的感知能力之外，还具有数据处理和数据无线传输能力，可以感知环境参数、处理并进行无线通信。传感器节点的硬件一般包含感知模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块[4]，本系统设计的传感器节点结构如图2所示。

传感器节点的感知模块采用的传感器如下：（1）温度、湿度传感器：采用瑞士Sensirion公司研制的SHT11型智能化温湿度传感器，它采用专利技术（COMS和传感器技术的融合），外形尺寸仅为7.5mm×5mm×2.5mm。SHT11具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数；（2）火焰传感器：采用火焰传感器R2868来发现仓库中的火焰，在火星产生的瞬间可以准确地发现，并发出警报；（3）烟雾传感器：采用烟雾传感器HIS07来及时发现烟雾，杜绝火灾隐患。

传感器节点的处理器模块采用CC2530芯片，CC2530支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE[5]，拥有快闪记忆体256个字节，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8kB的RAM，32/64/128/256 KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。较CC2430相比，CC2530在发射功率、链路预算、射频噪声抑制能力、低功耗以及ESD防护能力等方便都有较大的提升。

为节省电能，监测点每2分钟采集一次数据，并将数据通过无线传感器网络传送给族头节点，然后传送给汇聚节点。

3.2 汇聚节点硬件设计

汇聚节点（Sink节点）相当于网关，处于传感器节点的上层，汇聚节点具有数据的存储、处理和传输等功能，汇聚节点接收传感器节点的数据，并且连接无线传感器网络与互联网、移动通信网等外部网络，完成协议转换、网络节点配置等功能[6][7]，本系统中汇聚节点接收传感器节点的数据，并通过接口将数据传输给GPRS模块-西门子MC75i，西门子MC75i将数据通过GPRS无线网络传输给机房服务器。汇聚节点结构图如图3所示。

3.3 GPRS无线传输模块

系统中选择GPRS作为长距离传输方式，即系统中汇聚节点与机房服务器之间采用GPRS无线传输方式，汇聚节点的GPRS模块通过GPRS无线网络，将仓库监测数据传输到监控中心机房的GPRS模块，监控中心机房的GPRS模块将数据通过串口将数据传输给机房服务器。GPRS具有覆盖范围广、可靠性高、实时性强、成本低、功耗小等特点。本系统GPRS无线传输模块采用西门子MC75i模块，MC75i的特点为：1.支持850、900、1800和1900MHZ四种频率；2.GPRS multi-slot class 12；3.E-GPRS下行速率可达460Kbit/sec；4.AT指令Hayes GSM 07.05及GSM 07.07。

4、系统的软件设计

本系统用VB6.0开发，管理员可以通过管理软件实时监测到仓库的各种数据，将数据填入数据库，譬如温湿度、烟雾值等等，当系统读取到的传感器数据超过设定的安全值时，系统发出报警信号，以温湿度监测为例，系统的流程如图4所示。

5、结语

通过采用无线传感器网络的仓库环境监测，并使用GPRS实现无线远传，达到了仓库的实时的数据采集，方便的部署以及远程监控的智能化监测，具有良好的应用推广价值。

参考文献

[1] 孙旭光，高方平，陈丹琪等.基于无线传感器网络的防盗监测系统设计[J].传感器与微系统，2009，28（10）：67-69.

[2] 饶云华，代莉，赵存成等.基于无线传感器网络的环境监测系统[J].武汉大学学报，2006，52（03）：52-54.

[3] 梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（02）：16-18.

[4] 王军，陈磊，张莉莉.基于无线传感器网络的环境监测系统设计与实现[J].洛阳师范学院学报，2010，29（05）：52-54.

[5] 章伟聪， 俞新武， 李忠成.基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J].计算机系统应用，2011，20（07）：184-187.

[6] 崔然，马旭东，彭昌海.基于无线传感技术的楼宇环境监测系统设计[J].现代电子技术，2010，07：53-56.

[7] 姜文刚，蔡蓝图.智能家居无线传感器网络的研究[J].江苏科技大学学报，2010，24（02）：169-173.