CN101335670A - 基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统及监测方法 - Google Patents

Abstract

基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统及监测方法，属无线网络监测技术领域。包括仓库检测节点、网络簇首、监控中心客户端、服务器、互联网和普通客户端，仓库检测节点由微处理器、RF收发模块、数据采集器和模拟开关组成，RF收发模块、数据采集器和模拟开关分别通过数据线同微处理器相连接，模拟开关连接在数据采集器回路中通过微处理器发指令以控制数据采集器的通断；网络簇首由微处理器和RF收发模块组成，RF收发模块通过数据线同微处理器相连接；网络簇首与监控中心客户端通过串口线相连接，监控中心客户端通过串口和服务器相连接，再经互联网和普通客户端相连接。本系统可降低功耗和成本，使用安全方便。

Description

基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统及监测方法

(一)技术领域

本发明涉及一种基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统及监测方法，属无线网络监测技术领域。

(二)背景技术

基于无线传感器网络技术的仓库监测系统已成为许多行业和地区最主要的仓库监测系统之一，和传统的人工监测手段不同，它变人工的、事后的监测和报警为主动的控制，起到实时的、预报警的作用，因此，无线传感器网络监测系统在仓库监测领域中独领风骚。目前市场上常见的仓库监测系统采用的技术主要为人工式、以及一些有线连接的网络监测模式。但是，在某些应用场合比如：烟草行业对烟叶杀虫期间这些技术都不太适用，因为烟叶杀虫时所用的PH3气体是强腐蚀的剧毒气体，且在达到一定浓度时易燃易爆。(但是，这些方式的缺点也是比较明显的，人工方式数据具有滞后性且不能到达预报警的功能，某些数据人工监测具有很高的危险性，有线的布网方式不灵活，且仓库监测的某些气体容易对有线造成腐蚀，现在的普通无线传感器技术功耗又比较大，且成本较高，不适合长期监测使用)这些缺陷决定了现有仓库监测系统在很多场合，尤其是在有剧毒或易燃易爆的场合难以发挥其应有的作用。而随着ZigBee技术的成熟，多种组网方式以及低功耗单片机的发展，使解决这些缺陷成为了可能，也为基于ZigBee技术的无限传感器网络仓库监测系统的研制提供了技术保障。

ZigBee技术是以IEEE 802.15.4作为其物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)规范，ZigBee联盟提供了网络层(NWK)和应用层(APL)框架的设计，其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制定的应用对象。其正是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，是一种廉价的供固定、便携或移动没备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。这些技术特性决定了目前为止ZigBee技术是无线传感器网络的最好选择。

PIC18F4620微控制器具有丰富的片上存储功能，具有64 KB Flash和3968字节RAM的存储空间；而且该微控制器具有多种省电模式供选择，除了具有丰富的片上存储功能和多种省电模式以外，PIC18F4620微控制器还具有13个10位A/D转换器，、多个I/O数据线。可以很容易用软件对其进行编程和仿真，这些接口同时还可以用作与传感单元的接口。RF通信模块是Chipcon CC2420无线射频芯片，该芯片收发器包含了物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层，可组建一个具备65535个结点的无线网络，并可随时扩充，以及具有低功耗、传输速率为250kb/s、较低的快速唤醒时间(小于30ms)、CSMA/CA信道状态侦测等特性。

在无线传感器网络中节点为采用了ZigBee技术的PIC单片机实现了低功耗的稳定通信，能够达到长期监测的目的，且ZigBee技术为免费的技术，节点的成本较低，能够做到大范围的推广。

上述的协议栈和硬件资源都为建立实用的基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监控系统奠定了技术基础。

(三)发明内容

为克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供一种基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统。

一种基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统，包括仓库检测节点、网络簇首、监控中心客户端、服务器、互联网和普通客户端，其特征在于仓库检测节点由微处理器、RF收发模块、数据采集器和模拟开关组成，RF收发模块、数据采集器和模拟开关分别通过数据线同微处理器相连接，模拟开关连接在数据采集器回路中通过微处理器发指令以控制数据采集器的通断；网络簇首由微处理器和RF收发模块组成，RF收发模块通过数据线同微处理器相连接；网络簇首与监控中心客户端通过串口线相连接，监控中心客户端通过串口和服务器相连接，再经互联网和普通客户端相连接。

所述的数据采集器是温度、湿度及磷化氢浓度的测量传感器。

本发明监测系统工作时，将数据采集器即温湿度传感器、磷化氢传感器置于仓库内的各监测点处，温湿度、磷化氢传感器采集的数据信号分别为电压模拟信号、电流模拟信号，这些模拟信号经过微处理器的AD转换功能变为数字信号，然后通过与微处理器相连的RF收发模块发送给网络簇首，RF收发模块同时可以接收网络簇首发送过来的命令；网络簇首中的RF收发模块把命令送给仓库检测节点内的微处理器，微处理器根据命令通过模拟开关来控制温、湿度、磷化氢传感器回路中的开和关以使得数据采集器工作和停止工作。网络簇首与监控中心客户端通过RS232串口线进行连接，并经过RS232串口把数据传给监控中心客户端；监控中心客户端通过串口接收到数据后把数据显示在客户端并可以提交给服务器的数据库；普通客户端就可以通过Internet5与服务器相连接，得到数据并监控；监控中心客户端可以通过RS232向网络簇首发送关闭和打开温湿度、磷化氢传感器的命令；网络簇首接收到命令后，通过RF收发模块，发送给仓库监测节点，仓库监测节点的微处理器收到RF收发模块接收到的命令后，会做出判断以打开或者关闭温湿度、磷化氢传感器的电源。

本发明仓库监测系统的客户端实现了从上位机的串口(RS232)接收数据，并且把数据上传到与上位机相连的服务器(SQL Server2000)端；同时客户端也具有从数据库实时读取数据的功能。在客户端某个节点三个数据(温度、湿度、磷化氢浓度)不但可以逐条显示还可以以柱状图的形式来显示，以及某个仓库立体的三维显示，以及当仓库内的节点监测到温度、湿度、磷化氢浓度异常时的报警功能。为了达到节省仓库内监测节点能耗的功能，在客户端部分还提供了下行命令的功能，可以打开和关闭温湿度以及磷化氢探头以节省能耗实现长期的监测。系统总体架构图见(图1)。

一种利用上述仓库监测系统实现客户端观测数据的方法，步骤如下：

a.运行客户端，保证仓库ZigBee网络已经搭建并运行；

b.设置串口参数，远程数据库参数，报警参数；

c.选择数据来源选择RS232；

d.连接远程服务器，如成功选择数据提交到远程服务器；

e.观测数据；

f.如果不需要监控温湿度、磷化氢的值可选择右键单击数据区，选择命令：关闭温湿度、关闭磷化氢，需要监控时同样方法打开即可。

仓库监测系统的无线网络协议栈是整个无线网络的核心，我们采用了开源的MicrochipZigBee3.5协议栈，编写适合本系统的应用层代码，在这部分同样分为两部分：协调点(网络簇首)的应用层的代码编写和仓库内的监测节点的应用层的代码编写。前者包括：对于协议栈原语的处理(保证协议栈的正常运行)、主要包括：网络的建立、节点的加入等以及把接收到的仓库内节点传输的数据打包并做CRC校验通过串口传输到上位机的客户端把客户端的命令发送个仓库内的节点；后者包括：对于协议栈原语的处理(保证协议栈的正常运行)主要包括：选择要加入的网络、数据传输失败的重传等以及用户任务(数据采集、数据发送、对客户端命令的接收与保存、以及响应)等功能代码的编写。

所有使用本仓库监控系统的用户(得到了授权)可以通过选择任意一台安装了本系统客户端的机器通过Internet网络来进行实时查看仓库内的数据。根据权限的不同，人员在客户端可以完成不同的操作。普通用户可以查询数据，包括实时数据以及存储的数据。在监控中心的用户除了上述权限以外还具有打开和关闭仓库内节点传感器探头的权限。

客户端提供了请选择数据来源这一功能，在下拉列表中可选择RS232、数据库，如果是监控中心的客户端可以选择RS232用来接收实时的仓库网络数据，普通的用户客户端要想查看服务器中的数据必须选择数据库这一选项。同时客户端还提供了查看数据的方式可供选择，普通模式以逐条的形式来显示，温度、湿度、磷化氢模式以柱状图的形式来显示，设置菜单提供了串行口设置、远程数据库设置、报警参数设置三项功能，监控中心的客户端在开启以后要主动的打开远程数据库这个菜单来连接远程数据库并提交接收到的数据。

在监控中心的客户端可以通过右键单击数据显示区域，来选择要发送的命令包括打开温湿度、关闭温湿度、打开磷化氢、关闭磷化氢。

本发明仓库监测系统节点部分的MCU微控制器芯片采用的是微芯公司的PIC18F4620，该芯片具有13个10位A/D转换器保证了同时可以监测多路信号以及SPI总线用于和RF通信模块通信，且具有低功耗的工作模式，节点的RF通信模块是Chipcon CC2420无线射频芯片该芯片的低速率以及低功耗特性特别适合本系统的应用，上述两种芯片通过SPI总线相连，MCU负责协议栈的运行，RF负责无线通信。本系统的独创之处包括：AD转换时由于电池的连续工作导致参考电压变低进行了稳压电路设计有效的保证了采集的数据的正确性；为了达到降低能耗的功能采用了模拟开关器件来控制传感器的工作，降低了功耗，降低了成本。

且系统工作在强腐蚀的有毒气体环境中，没有出现因为腐蚀而不能工作的情况，节点运行良好保证了数据的传输。考察硬件网络和客户端以及服务器的运行的综合情况，此系统基本达到了最初的设计要求。此仓库监控系统的使用不仅提高了将军烟草集团对仓库实时监测水平而且降低了人力资源成本，有效的保证了杀毒期间的安全。

(四)附图说明

图1是本发明的系统整体框架示意图，图2是本发明的仓库监测节点方框示意图，图3是本发明的网络簇首方框示意图，图4是本发明授权实现方法流程图。

其中：1.仓库监测节点，2.网络簇首，3.监控中心客户端，4.服务器，5.互联网，6.普通客户端，7.数据采集器，8.模拟开关，9.微处理器，10.RF收发模块，11.微处理器，12.RF收发模块。

(五)具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，但本发明不限于此。

实施例：

本发明实施例如图1-3所示，包括仓库监测节点1、网络簇首2、监控中心客户端3、服务器4、互联网5和普通客户端6，其特征在于仓库监测节点1由微处理器9、RF收发模块10、数据采集器7和模拟开关8组成，  RF收发模块10、数据采集器7和模拟开关8分别通过数据线同微处理器9相连接，模拟开关8连接在数据采集器7回路中通过微处理器9发指令以控制数据采集器7的通断；网络簇首2由微处理器11和RF收发模块12组成，RF收发模块12通过数据线同微处理器11相连接；网络簇首2后面连接监控中心客户端3和服务器4，通过互联网5和普通客户端6相连接。

所述的数据采集器7是温度、湿度及磷化氢浓度的测量传感器。

模拟开关模块8由Fpf2505芯片组成主要负责打开和关闭温湿度以及磷化氢探头，达到节能的目的；微处理器9由PIC18F4620芯片组成，负责组建整个无线网络以及对采集的数据进行AD转换、对从网络簇首2收到的命令进行处理；RF收发模块10和12由ChipconCC2420组成主要完成无线网络数据的收发功能。

温湿度、磷化氢传感器采集的数据信号分别为电压模拟信号、电流模拟信号，这些模拟信号经过微处理器9的PIC18F4620的AD转换功能变为数字信号，然后通过与微处理器9相连的RF收发模块10发送给网络簇首2；RF收发模块10同时可以接收网络簇首2发送过来的命令，RF收发模块10把命令送给微处理器9，微处理器9根据命令通过模拟开关8来控制温湿度、磷化氢传感器的开和关。

本发明具体实现客户端观测数据监测方法的流程图如图4所示，步骤如下：

a.运行客户端，保证仓库ZigBee网络已经搭建并运行

b.设置串口参数，远程数据库参数，报警参数。

c.选择数据来源选择RS232

d.连接远程服务器，如成功选择数据提交到远程服务器

e.观测数据

f.如果不需要监控温湿度、磷化氢的值可选择右键单击数据区，选择命令：关闭温湿度、关闭磷化氢，需要监控时同样方法打开即可。

Claims (3)

1.一种基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统，包括仓库检测节点、网络簇首、监控中心客户端、服务器、互联网和普通客户端，其特征在于仓库检测节点由微处理器、RF收发模块、数据采集器和模拟开关组成，RF收发模块、数据采集器和模拟开关分别通过数据线同微处理器相连接，模拟开关连接在数据采集器回路中通过微处理器发指令以控制数据采集器的通断；网络簇首由微处理器和RF收发模块组成，RF收发模块通过数据线同微处理器相连接；网络簇首与监控中心客户端通过串口线相连接，监控中心客户端通过串口和服务器相连接，再经互联网和普通客户端相连接。

2.如权利要求1所述的基于ZigBee技术的无线传感器网络仓库监测系统，其特征在于所述的数据采集器是温度、湿度及磷化氢浓度的测量传感器。

3.一种如权利要求1所述仓库监测系统实现客户端观测数据的方法，步骤如下：

a.运行客户端，保证仓库ZigBee网络已经搭建并运行；

b.设置串口参数，远程数据库参数，报警参数；

c.选择数据来源选择RS232；

d.连接远程服务器，如成功选择数据提交到远程服务器；

e.观测数据；

f.如果不需要监控温湿度、磷化氢的值可选择右键单击数据区，选择命令：关闭温湿度、关闭磷化氢，需要监控时同样方法打开即可。

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