ZigBee无线传感器网络在西藏粮仓监测中的应用

唐松，尼玛扎西，格桑多吉，高定国

(西藏大学工学院，拉萨 850000)

ZigBee无线传感器网络在西藏粮仓监测中的应用

唐松，尼玛扎西，格桑多吉，高定国

(西藏大学工学院，拉萨 850000)

针对当前温湿度采集系统存在的缺陷，并参考基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统的优点，提出了一种新的ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统，包括系统的总体架构、硬件设计和软件设计。实验结果表明:本系统相比传统温湿度监测系统的测量误差小很多。

温湿度采集;ZigBee无线传感器网络

1 研究现状

当前大部分应用于西藏粮仓的粮情监测的温湿度采集系统存在如下缺点:①需在仓库中布置大量线缆以保持通信，不但使安装过程产生的费用高，而且导致系统部件维护和拆解繁杂，不易维修和更换有问题的传感器，对于系统的正常运行影响很大;②电子器件的电容和线缆的电阻在很大程度上决定了测量误差，而且这些电子部件易接触静电和雷电，导致无法正常工作，甚至引发仓库火灾;③操作工人需定时到仓库查看相关仪器，录入温湿度。这种传统方法受人为因素制约很大，无法保证数据的准确性和完整性;④落后的人工定时录入数据方式和手工制表的模式影响数据处理、生产管理的时效性，最终降低了监测效率，导致突发、紧急情况的预警和处理措施产生延后。

随着西藏地区的快速发展和经济水平的明显提高，除了稳定的军队供需粮和防止自然灾害的储备粮，粮食在食品加工方面的需求量呈递增趋势，粮食储藏量显著上升，对粮食存储的质量指标要求也愈来愈多。考虑以上因素，本文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统，该系统可根据具体状况设定预警阀值，一旦温湿度超出阀值会立即预警［1］，实现了短信/电话/ GPRS智能化管理。值班人员可通过拨打电话或发送短信随时随地查看实时的报警状况和温湿度数据。无线传感数据节点支持电源报警功能，当节点电量不足或断电时，节点自动拨打语音报警电话或发送报警短信/北斗短报文。

与普通的西藏粮仓监控系统相比，本文设计的粮仓监控系统具有以下优点:

1)安装温度和湿度无线传感器节点时无需布线，极大地降低了系统成本。只要节点在有效无线通讯区域内和优化的路由结构选择中，就可以自由选择节点的位置，这使得工作人员可以更加便捷地铺设和组织无线网络，更利于拓扑结构的动态变化性;

2)遭遇集中性降水或浸水时，防水性能突出的温度和湿度无线传感器节点在极潮湿的环境中也能正常工作，增强了节点的适应性，降低了人工支出成本和相关维护费用;

3)温度和湿度无线传感器节点的安装、维护操作更简易、方便，减少了操作人员的工作量，使电子设备监控化管理更加方便快捷，有效维持了系统健康、高效的运作。

4)当粮仓需要拆卸或翻新时，温度和湿度无线传感器网络节点不存在有线连接方面的问题，可以随意拆解、组合，且运输便捷，实现了网络节点的重复利用。

5)温湿度控制系统实现了自动化，各子系统可方便地连接，值班人员可调节粮仓的温度和湿度［2］。

2 系统总体架构

配有射频发射和接收装置的无线传感器节点呈规则性散布在粮仓待测区间。带有控制单元的节点控制所监控粮仓范围内的温湿度传感器，及时发送控制命令和调整拓扑网络，从而完成数据的采集、预处理，并使普通节点采集的数据向上传送至汇聚节点。通过收集汇聚节点的相关数据，监控中心可有效管理和控制仓库监控，实现对汇聚节点和普通节点的命令下达和数据采集，还可根据需求(如收集数据的范围和精度)设置相应的网络节点。在系统结构方面，整个网络采用金字塔式的层次化构造，而每个子网络为分簇式构造，基于簇的层次化构造的优势在于拥有分布式处理能力，簇头(无线传感器网络的某一汇聚节点)是分布式处理的核心。簇的每个节点成员把采集的数据传给簇头，簇头剔除冗余数据，进行数据融合后，再将数据传给监控中心［3］。管理员主机向监控主机发送操纵命令，通过软件智能分析、显示和打印采集到的各节点的温湿度数据，最终向管理者提供完整的分析后的数据图表用于查看和分析。仓库管理站的专业工作人员根据统计和智能分析的数据向西藏本地粮仓管理人员进行及时的信息反馈与应急措施的提示，并提出相关意见。

3 基于ZigBee协议的无线传感器网络硬件设计

3．1 ZigBee节点构造

无线传感器网络由于网络节点能耗少、体积小、适应能力强，因此便于在粮仓中组织，可满足西藏粮仓监控系统建设的特别需要。无线传感器网络节点的发射功率为0～3.6 dbm，通信范围约40～80 m，兼具能耗监示、链路状态显示功能。通过相应的监示数据，节点可自主控制发射功率，以最低的能量消耗维持通信实时连通性，保持通信质量的安全可靠，确保网络利用率的最大化。

图1 基于ZigBee协议的传感器节点器件连接图

若从实现功能方面划分图1中的各种模块，则该节点硬件设计模块可分为湿度和温度传感器监测模块、CC2420信息收发模块、RS232模块和MSP430F1611控制器模块。当普通节点和汇聚节点间没有数据交换时，它们处于休眠状态，此时普通节点和汇聚节点以较低的能耗扫描信道。当湿度和温度传感器监测到模块周边的环境参数发生改变时，节点促使ZigBee模块发生I/O中断事件，传给ZigBee模块相应的数据信息，唤醒处于休眠态的该模块。该模块利用智能控制部件处理完信息后，以无线方式将数据传送到汇聚节点，减少了节点间采集数据的传送量，提高了通信效率［4］。传感器节点选取MSP430F1611控制器，该控制器具有低能耗、高性能、高稳定性且外部可连通、可拓展资源丰富(双UART口、双I2C总线和双SPI总线)等优势，在西藏高寒缺氧、干燥少雨的极端恶劣环境下，确保了系统的正常运行。

3．2 CC2420信息收发模块

CC2420无线收发芯片基于SmartRF03技术，可兼容IEEE802.15.4(2.4 GHz)协议标准。它采用功率低、体积小、集成度高的0.18 μm CMOS先进工艺生产，可低能耗且高效地完成多样化的任务。正常工作条件下，基本不需要外围功能电路功能性的连接，实现了与主控制器接口的简洁化连接，使得模块方面相应的操作和控制简便化［5］。如图2所示，CC2420的兼容性很强，由于它简单化了外围电路和处理器接口，加之低廉的价格和良好的性能，使ZigBee网络具备很强的竞争优势。

MCU(微控制器)是传感器节点的控制中心。本文采用的MSP430F1611控制器内部有足够的存储空间，它集成的Flash和RAM不但使得各种协议正常工作，而且为协议的设计、实现提供了便利。该系统采用基于中断方式的唤醒操作，可通过I/O中断唤醒处于休眠模式的模块，有利于节能，极大延长了节点的使用寿命。

在ZigBee网络工作状态中，射频收发器CC2420处于从机模式，MSP430F1611处于主机工作状态，可以读写缓冲区数据、灵活改变CC2420寄存器中的参数，这些都需要通过SPI接口实现。图2所示为具体的引脚接线。此芯片是有源RF收发器件，工作频率为2.4 GHz，能耗小、可支持IEEE802.15.4协议。它具有如下功能:监控电量，低于极限值时预警;可调控发射功率，由相关编程操作实现;数据传输速率有效，选用250 kb/s中低速率，减少了冲突和数据丢失;选用直接序列频率的DSSS(扩频)技术，抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址;发射和接收数据缓冲区选用独立的128字节数据，增加了可靠性和缓存量。通过CSn，SCLK，SO和SI这4条SPI总线，CC2420可相应设置芯片的工作模式，使其处于休眠或唤醒状态，从而实现状态寄存器或缓存区的读/写数据操作等。

图2 CC2420和MCU引脚连接图

3.3 温度和空气相对湿度监测模块

图3，4分别是温度和空气相对湿度监测的线路图。由于有较高的输出电压和较好的电压线性度，HIH3605不需要进行信号调整、放大，以及其他信号相关操作，可以对电压直接读取或输出。集成10位模数转换器在PIC18F4620控制器内部，使得HIH3605的输出信号可直接连接到PA口，将模拟数值转为数字信号值，从而直接得出对应的湿度数字信号值［6］。

图3 基于DS18B20的温度监测电路

图4 基于HIH3605的湿度监测电路

4 软件设计

协议栈的主要任务包括如下:①遭遇突发情况时(例如无线通信节点周边的环境因子和无线链接通信质量反复变化)，能及时做出反应并正确处理，网络能自组织、自恢复;②能快速而精确地选择路由(包括自主判断、选择最佳路由和备选路径)，确保信息高效安全地通过各种网络拓扑到达目标节点，满足实时连接要求。

针对西藏粮仓监控中心传送的地址，系统节点采用I/O中断的方式进行处理。当传送地址与本节点的地址相同时，系统节点执行有关指令。监控中心发出温度和湿度模数转换命令包给网络中某节点。收到监控中心发来的命令包后，该节点启动DS18B20和HIH3605模块将模拟信号转换为数字信号，然后反传给监控中心。监控中心接收到节点的数据包后进行数据检验，若正确，监控中心返回一个确认数据包以确认所收到的节点数据包的正确性［6］。若传输过程中发生数据丢失，则节点或监控中心要求节点重发数据，直到发送数据和接收数据全部得到确认为止。

4.1 监控中心

数据库、监控模块、配置模块组成监控中心。通过GSM网络，监控中心与若干汇聚节点可以实现无线连接。监控模块一直处于监控通信端口状态，它对汇聚节点进行数据融合后上报的数据采取及时操作，包括信息的接收、分析、处置，同时发送相关指令给ID相异的汇聚节点，从而实现对整个网络的实时监控和拓扑结构调整，完成无线传感器网络节点的高效信息采集任务。

4.2 基于需求时唤醒的模式

针对普通节点与ZigBee汇聚节点间的通信，为解决增加ZigBee无线传感器网络的容量和节点能源供给问题，普通节点和ZigBee汇聚节点之间的工作模式为基于需求时唤醒的模式，此模式可降低节点同时上报信息的冲突概率，极大程度地节约了节点的能耗，拓宽了节点发生调频的周期，延长了网络使用寿命［7-10］。节点间通信的初始化和信息处理过程如下:

在通信开始之前，ZigBee模块先进行有效的初始化过程，普通节点和汇聚节点间的初始化流程见图5。初始化通信过程开始时，汇聚节点自主广播建立连接数据包，如果相应节点成功接收信息，则节点对这个数据帧和MAC指令帧进行检验，验证通过后，向汇聚节点返回确认帧，节点的ZigBee模块将工作模式置为休眠模式，等待下一个唤醒信号［11］。普通节点和汇聚节点采用微小化、能耗少(信号线寄生供电或电源供电)的温度传感器DS18B20。DS18B20采用可编程的显示方式和双向通讯的单总线结构，精确度高、监测温度的范围广，可将测得的温度模拟数值转换成数字信号值并输出。它在功能方面的主要特征如下:①无需外界部件的配合即可实现实际环境的测温;②预警温度上下限值(TH，TL)可灵活设定，预警信息可通过预警搜索命令获得;③在模块中集成了模数转换器和温度传感器，通过传感器温度读数值和每摄氏度补偿温度数值，以及相关计算公式可提升温度值准确度。控制/状态寄存器的情况决定了DS18B20的工作状态，在没有读取信息的条件下，DS18B20的工作能耗很小。

4.3 湿度监测模块

图4为湿度测量模块。湿度传感器HIH3605具有集成化、高灵敏性的显著优势。HIH3605输出电压为线性，能输出与湿度成线性关系的信号，且为标准的伏特电压信号。湿度监测范围可扩展到1%～99%RH，在室温情况下，湿度监测偏差和线性度偏差大幅缩小，分别控制在±2%RH和± 0.5%RH。湿度、环境温度和供电电压数值决定了HIH3605的输出电压函数。实际监测中，求取25℃室温条件下的空气相对湿度值以下述条件为前提:普通节点中的ZigBee模块工作状态为主模式状态，等待出于需求的唤醒操作的连接请求;普通节点工作状态由从模式转换为主模式，发出连接请求命令，等候来自汇聚节点的响应，而汇聚节点模块此时的工作状态为从模式状态［12］。初始化结束后，普通节点ZigBee模块工作模式变为休眠模式，在没有被唤醒的情况下，它拒绝包括连接请求在内的任何相关操作，如图5所示。这种基于需求时唤醒的设计极大降低了节点能耗，只有在被需求的条件下，普通节点才被唤醒并自主连接汇聚节点，从而有效地约束了普通节点和汇聚节点之间的不合理连接，排除了影响普通节点与汇聚节点间通讯可靠性与安全性的因素。

当节点的监测模块监测到所在环境因子的参数改变时，ZigBee模块开始信息处理过程。在简单地处理完信息后，普通节点的ZigBee模块自主发起连接建立的请求并向汇聚节点传送处理后的信息，详细流程见图6。无线传感器网络节点从节能角度出发，其绝大部分时间处于休眠状态。一般情况下，普通节点和汇聚节点的ZigBee模块进行低能耗扫描信道活动，节点只需每隔一个周期监听所在子网的信道，判断是否存在发送给自己或需要自己处理的数据信息。这种方式极大降低了节点的能量损耗值，既延长了节点的使用寿命，又保证了信道传输数据量的最大化。

5 实验结果

将本文设计的西藏粮仓监测系统与原系统进行温度与空气相对湿度的监测对比试验。通过2013年两系统的实际监测数据对照可以证明新设计的监测系统的先进性。实际监测中，在西藏拉萨的某仓库中，在一年中不同月份不同位置布置若干带有温度和湿度传感器模块的无线传感器网络节点。为了进行直观的比较，在每个节点旁放置水银温度计和湿球温度计，统计每个月份所有节点的数值并计算出每月的平均值。本监测系统采用精确度较高的数字温度传感器DS18B20和湿度传感器HIH3605。与之对比的传统监测系统为水银温度计和湿球温度计，水银温度计刻度为0.1℃，最小精确度为0.05℃;湿球温度计刻度为0.1%RH，最小精确度为0.05%RH。表1，2是本系统和传统监测系统的实验结果比较。

图5 初始化通信流程

图6 信息处理流程

从表1，2所示的实际监测数据和比较结果可以看出:基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统温湿度测量误差较小，实验数据的误差主要由节点在测量过程中客观存在的误差引起，信息处理与数据传输过程中造成误差的可能性很小。

表1 两种系统监测温度数据比较℃

表2 两种系统监测湿度数据比较(%RH)

6 结束语

相比当前的温湿度采集系统，基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统有着明显的优点。本文从总体构架、硬件设计、软件设计方面详细描述了基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统，并分析了两种系统监测对比的实验结果。西藏因寒冷的天气而被视作地球的“第三极”，寒冷的气候加上因高海拔而形成的强烈太阳辐射和长年干燥气候等险恶条件，为粮食等食品的储藏带来严峻的挑战。基于ZigBee无线传感器网络的西藏粮仓监控系统既节约了硬件的投入成本和人力资源，又极大提升了食品的监控水平，将在西藏食品监控和其他领域得到广泛的应用。

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(责任编辑 杨黎丽)

Application of Tibetan Granary Monitoring Research Based on ZigBee Wireless Sensor Network

TANG Song，NIMA Zha-xi，GESANG Duo-ji，GAO Ding-guo
(Institute of Technology，Tibet University，Lhasa 850000，China)

The current temperature and humidity acquisition system has defects，considering the advantages of Tibetan granary monitoring system based on ZigBee wireless sensor network.Tibetan granary monitoring system based on ZigBee wireless sensor network is proposed，including system overall architecture，hardware design and software design.Experimental results show that the system measurement error is much smaller than the traditional temperature and humidity monitoring system.

temperature and humidity acquisition;ZigBee wireless sensor network

TP212

A

1674-8425(2014)08-0092-06

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2014.08.019

2014-04-12

国家自然科学基金资助项目(61331013);计算机及藏文信息技术国家级教学团队资助项目

唐松(1985—)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要从事网络与信息安全研究。

唐松，尼玛扎西，格桑多吉，等.ZigBee无线传感器网络在西藏粮仓监测中的应用［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2014(8):92-97.

format:TANG Song，NIMA Zha-xi，GESANG Duo-ji，et al.Application of Tibetan Granary Monitoring Research Based on ZigBee Wireless Sensor Network［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(8):92-97.