CN103369719B - 基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，涉及无线温湿度传感器技术，解决现有机房中机柜内设备运行的状况得不到安全保障的问题，其包含：机房中各机柜内分布设置数个基于zigbee的无线温湿度传感器，采集机柜内的温湿度信号，并预处理成ZigBee协议格式的温湿度数据后进行发送；ZigBee无线网关，其通过ZigBee网络接收无线温湿度传感器发送的ZigBee协议格式的温湿度数据并转换成以太网协议格式的温湿度数据；控制中心主机，通过以太网电信传输接收ZigBee网关输出的以太网协议格式的温湿度数据，并实时显示。本传感器网络结构能够在控制中心主机中实时显示机柜内的温湿度，以确保机柜内设备安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及无线温湿度传感器技术，尤其是指一种基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构。
背景技术
随着互联网的迅速发展，许许多多的网站兴起，出于成本和安全等问题的考虑，许多网站公司更愿意把自己网站的服务器放在运营商的机房内，该机房统称IDC机房。这对于运营商机房内放置服务器和其他设备的机柜提出了更高的安全要求。
虽然，如今机房内都装有摄像头监控来保障机房的安全性，但是对于机柜内设备运行的状况却得不到安全保障。尤其如温度过热导致设备损坏或者短路，无法及时知晓，会给网站公司和运营商都带来巨大损失。因此，在IDC机房中，对于设备的温湿度监控显得十分重要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供一种基于Zigbee的无线温湿度传感器网络结构，使控制中心主机通过该传感器网络结构能够实时监控IDC机房中各机柜的温湿度，以确保机柜内设备安全运行。
上述Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其包含：
机房，内设有数个带有通讯设备的机柜；
数个无线温湿度传感器，每个机柜内分布设置数个无线温湿度传感器，每个无线温湿度传感器包含：
温湿度传感器，采集机柜内的温湿度信号；
集成ZigBee模块，其与所述温湿度传感器采用两条串行线连接进行数
据通信，将数个温湿度传感器采集的温湿度信号预处理成ZigBee协议格式的温湿度数据；
传感器天线，其与所述集成ZigBee模块连接，发送所述ZigBee协议格式的温湿度数据；
ZigBee无线网关，包含：
网关天线，其通过ZigBee网络接收所述无线温湿度传感器发送的ZigBee协议格式的温湿度数据；
无线单片机，与所述网关天线双向连接，接收网关天线收到的ZigBee协议格式的温湿度数据；
微控制器，与所述无线单片机双向连接，将所述ZigBee协议格式的温湿度数据转换成以太网协议格式的温湿度数据；
Flash存储器，与所述微控制器双向连接，储存ZigBee协议格式的温湿度数据；
以太网控制器芯片，与所述微控制器双向连接，将微控制器转换成的以太网协议格式的温湿度数据通过RJ45接口输出；
控制中心主机，通过以太网接收所述ZigBee网关输出的以太网协议格式的温湿度数据，并实时显示。
所述温湿度传感器采用SHT10传感器。
所述集成ZigBee模块采用MCU及无线通信单元模块，选用无线SOC片上系统CC2430模块。
所述传感器天线与网关天线都是射频天线，采用2.4GHZ天线。
所述每个无线温湿度传感器为一个传感器节点，每个机柜内分布的数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。
所述ZigBee网络采用IEEE802.15.4。
所述无线单片机采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频收发器的CC2430无线单片机。
所述微控制器采用ARM核的AT91SAM9260微控制器。
所述Flash存储器采用SST39VF160存储器。
所述以太网控制器芯片采用DM9161芯片。
本发明的有益效果：
本发明的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构由数个基于ZigBee技术的无线温湿度传感器和ZigBee网关组成，每个无线温湿度传感器为一个传感器节点，数个传感器节点分布于IDC机房中需要监控的机柜内，执行温度和湿度数据的采集、预处理、发送等工作。ZigBee网关具有ZigBee协调器和协议转换功能，将无线温湿度传感器节点ZigBee发送的ZigBee协议格式的数据转换成以太网协议格式的数据传输到控制中心主机。控制中心主机通过以太网与ZigBee网关通信，实时显示每个温湿度传感器节点的信息，如果温湿度超出指标会立刻报警，通知维护人员检查，以确保机柜内设备安全运行。这种带有基于ZigBee无线传输智能网络的机柜能够给运营商的客户提供安全又可靠的服务。
为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为本发明基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构示意图；
图2为图1中无线温湿度传感器与ZigBee无线网关的连接关系示意图；
图3为图1中无线温湿度传感器的结构示意图；
图4为图1中温湿度传感器与集成ZigBee模块的实施例的连接结构图；
图5为图1中的ZigBee无线网关结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例的附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见图1，图1为本发明基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构示意图，该网络结构包含以下四该组件：
(1)机房10
机房10内设有数个带有通讯设备的机柜101，102，…，10n。
(2)数个无线温湿度传感器11
每个机柜101，102，…，10n内分布设置数个无线温湿度传感器11，每个无线温湿度传感器11的结构参见图3，其包含：
温湿度传感器111，采集机柜内的温湿度信号，本实施例采用SHT10传感器；
集成ZigBee模块112，其与温湿度传感器111连接，对数个温湿度传感器111采集的温湿度信号预处理成ZigBee协议格式的温湿度数据，本实施例的集成ZigBee模块112采用MCU及无线通信单元模块，选用无线SOC片上系统CC2430模块，在该模块上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；
传感器天线113，其与集成ZigBee模块112连接，发送所述ZigBee协议格式的温湿度数据，本实施例的传感器天线113为射频(RF)天线，采用2.4GHZ的PCB天线。
每个无线温湿度传感器11具备对机柜内温湿度数据的采集、预处理及发送的功能。每个无线温湿度传感器11作为一个传感器节点，每个机柜内分布的数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。各传感器节点执行温度和湿度数据的采集及预处理，将采集到的温湿度数据预处理成ZigBee协议格式的温湿度数据，并通过传感器天线113发送该ZigBee协议格式的温湿度数据。
上述无线温湿度传感器11中的温湿度传感器111(SHT10)用于采集周围环境中的温度和湿度，其工作电压为2.4～5.5V，测湿精度为±4.5％RH，25℃时测温精度为±0.5℃。温湿度传感器111(SHT10)与集成ZigBee模块112(CC2430)的连接结构参见图4。温湿度传感器111(SHT10)采用两条串行线与集成ZigBee模块112(CC2430微处理器)进行数据通信。其中用SCK数据线负责CC2430和SHT10的通讯同步；用DATA三态门作为数据的读取。DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个10kΩ的外部上拉电阻R将信号提拉至高电平。本实施例中CC2430的引脚P1.0用于SCK数据线，引脚P1.1用于DATA。
温湿度传感器111(SHT10)是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。该传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。因此，该传感器具有响应时间快、精度高(湿度RH精度为±2.0％，温度T精度为0.40℃)、抗干扰能力强、低功耗等特点。另外，SHT10数字式传感器具有I2C总线数字接口与循环冗余码校验(CRC)数据传输校验，使它可以很方便地与其它微处理器、微控制器等系统直接接口，很大程度上增加了对传感器接口开发的方便性与可靠性。为了使传感器输出的数字量转换为直观的物理单位量，需要进行数据变换处理。
上述CC2430芯片上整合了Zigbee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU(高性能和低功耗的8051微控制器核)，具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchingtimer)、32KHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产；在接受和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
(3)ZigBee无线网关13
本发明的传感器网络结构不是以一个独立的通信网络形式存在，网络中监测的温、湿度数据需要发送到控制中心主机进行分析和显示，这就需要实现ZigBee无线监测网络与以太网的互联。ZigBee无线网关13就能够实现该功能，担当ZigBee网络和以太网的协议转换。ZigBee网关13具有ZigBee协调器和协议转换功能，将无线温湿度传感器11发送的ZigBee协议格式的温湿度数据转换成以太网协议格式的温湿度数据，并通过RJ45接口输出。
ZigBee无线网关13如图5所示由下列部件组成：
网关天线131，其为射频天线，采用2.4GHZ天线，如图2所示，网关天线131通过ZigBee网络12接收各无线温湿度传感器11发送的ZigBee协议格式的温湿度数据，即布置在被监测的机柜内的无线温湿度传感器节点通过传感器天线及ZigBee网络将数据发送到ZigBee无线网关，本实施例中的ZigBee网络12采用IEEE802.15.4；
无线单片机132，与网关天线131双向连接，本实施例采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频(RF)收发器的CC2430无线单片机，接收网关天线收到的ZigBee协议格式的温湿度数据；
微控制器133，其与无线单片机132双向连接，本实施例采用ARM核的AT91SAM9260微控制器，AT91SAM9260基于ARM926EJ-S处理器，具备8KB指令以及8KB数据缓存，在190MHz时钟频率下运行时性能可达210MIPS，该产品包含了8KBSRAM以及32KBROM，在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问，该产品使接口与片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平，微控制器133将所述ZigBee协议格式的温湿度数据转换成以太网协议格式的温湿度数据，也控制数据储存和控制无线单片机发送接收数据；
Flash存储器134，AT91SAM9260微控制器没有内嵌入Flash存储器，所以在外部扩展一个Flash存储器，其与微控制器133双向连接，储存ZigBee协议格式的温湿度数据，本实施例采用SST39VF160存储器；
以太网控制器芯片135，其与与所述微控制器133双向连接，，本实施例采用DM9161芯片，DM9161是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网PHY，是采用较小工艺0.25um的10/100M自适应的以太网收发器，是目前常见的一款物理层收发器，以太网控制器芯片135将微控制器转换成的以太网协议格式的温湿度数据通过RJ45接口输出，RJ45接口是连接网线的物理接口。
(4)控制中心主机15，通过以太网14电信传输接收ZigBee网关13的输出的以太网协议格式的温湿度数据，实时显示每个温湿度传感器节点的信息，每一个无线温湿度传感器11周期性地将温湿度数据通过ZigBee网络12中的无线收发模块发送到ZigBee网关13，最终显示于控制中心主机15，如果温湿度超出指标会立刻报警，通知维护人员检查，以确保机柜内设备安全运行。
本发明主要结构是将数个带有集成ZigBee模块的无线温湿度传感器11作为节点部署于机柜内，构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，在半径约1000m范围内的数个机柜(101-10n)可组成一个单独网络，每个网络装备一个ZigBee无线网关13。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明的目的，而并非用作对本发明的限定，只要在本发明的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求的范围内。
Claims (8)
1.一种基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于包含：
机房，内设有数个带有通讯设备的机柜；
数个无线温湿度传感器，每个机柜内分布设置数个无线温湿度传感器，每个无线温湿度传感器包含：
温湿度传感器，采集机柜内的温湿度信号，采用SHT10传感器；
集成ZigBee模块，采用MCU及无线通信单元模块，选用无线SOC片上系统CC2430模块，其与所述温湿度传感器采用两条串行线连接进行数据通信，将数个温湿度传感器采集的温湿度信号预处理成ZigBee协议格式的温湿度数据，其中用SCK数据线负责SOC片上系统CC2430和SHT10传感器的同步通讯，用DATA三态门作为数据的读取，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效，数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA保持稳定，MCU应驱动DATA在低电平，并且需要一个10kΩ的外部上拉电阻将信号提拉至高电平；
传感器天线，其与所述集成ZigBee模块连接，发送所述ZigBee协议格式的温湿度数据；
ZigBee无线网关，包含：
网关天线，其通过ZigBee网络接收所述无线温湿度传感器发送的ZigBee协议格式的温湿度数据；
无线单片机，与所述网关天线双向连接，接收网关天线收到的ZigBee协议格式的温湿度数据；
微控制器，与所述无线单片机双向连接，将所述ZigBee协议格式的温湿度数据转换成以太网协议格式的温湿度数据；
Flash存储器，与所述微控制器双向连接，储存ZigBee协议格式的温湿度数据；
以太网控制器芯片，与所述微控制器双向连接，将微控制器转换成的以太网协议格式的温湿度数据通过RJ45接口输出；
控制中心主机，通过以太网接收所述ZigBee网关输出的以太网协议格式的温湿度数据，并实时显示。
2.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述传感器天线与网关天线都是射频天线，采用2.4GHZ天线。
3.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述每个无线温湿度传感器为一个传感器节点，每个机柜内分布的数个传感器节点构成基于ZigBee的传感器网络拓扑结构，该网络拓扑结构采用星型或树型网络拓扑结构。
4.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述ZigBee网络采用IEEE802.15.4。
5.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述无线单片机采用内部集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHZ的射频收发器的CC2430无线单片机。
6.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述微控制器采用ARM核的AT91SAM9260微控制器。
7.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述Flash存储器采用SST39VF160存储器。
8.如权利要求1所述的基于zigbee的无线温湿度传感器网络结构，其特征在于：所述以太网控制器芯片采用DM9161芯片。
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