引 言
    倉庫監(jiān)控系統(tǒng)是倉庫自動化管理的重要組成部分。監(jiān)控系統(tǒng)可對大面積范圍多部位地區(qū)實行實時有效的監(jiān)控，并對得到的信息進行及時處理，以保證物資安全儲存。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在因采用有線連接方式而導(dǎo)致的可靠性差、易受損、布線麻煩等問題。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的出現(xiàn)恰好可以解決這類問題；而具有低成本、小體積、低功耗、低傳輸速率的ZigBee技術(shù)無疑成為目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選技術(shù)之一。
    自2004年ZigBee聯(lián)盟正式發(fā)布ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以來，許多公司廠商陸續(xù)推出了自己的芯片產(chǎn)品和開發(fā)系統(tǒng)，如飛思卡爾公司的MC13192， TI公司的CC24xx系列，Atmel公司的AT86RF系列等。目前，對ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用也幾乎是基于以上的芯片。
    本文在Z-Stack基礎(chǔ)上，成功組建了一個樹簇拓撲網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。在該網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點將傳感器采集的4類數(shù)據(jù)以多跳的方式發(fā)往sink節(jié)點，在父節(jié)點失效的情況下，子節(jié)點能夠找到其他數(shù)據(jù)路徑，從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1 總體方案架構(gòu)
1．1 系統(tǒng)需求分析
    倉庫為長方形，面積600 m2，所存儲物資是煙草，屬于貴重物品，所以設(shè)計的系統(tǒng)需要具備以下功能：
    ①防盜防破壞。貴重物品是犯罪分子盜竊和破壞的目標(biāo)。案例分析表明，破門破窗而人占有很大比例，還有挖墻和揭頂而入的。
    ②防火報警。庫房物資屬于易燃物品，而且非常密集，如果火災(zāi)發(fā)現(xiàn)晚會增加滅火困難，造成重大經(jīng)濟損失；對其監(jiān)控有利于提前發(fā)現(xiàn)災(zāi)情，及時采取對策。
    ③溫濕度監(jiān)控。物資在倉庫集中存儲，易受環(huán)境影響，對環(huán)境溫濕度的監(jiān)控可以避免因庫房溫濕度的變化而造成煙葉霉變或糙碎，達到提高煙葉自然醇化質(zhì)量和卷煙制成品的內(nèi)在品質(zhì)的目的。
    ④無線通信。采用電纜布線缺點明顯，易對系統(tǒng)造成不必要的干擾且存在火災(zāi)的隱患。
1．2 系統(tǒng)方案設(shè)計
    無線通信中，在接收靈敏度一定的情況下，無線發(fā)射功率P和接收半徑R之間的關(guān)系是P正比于 R2～R5。在長距離數(shù)據(jù)傳輸情況下，能耗情況會十分嚴重，特別是對于能量有限的系統(tǒng)來說，會造成節(jié)點過早死亡，所以直接數(shù)據(jù)傳輸?shù)男切尉W(wǎng)絡(luò)不能滿足需要，只能采用具有多級中繼路由節(jié)點的樹簇網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為三種：終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器。其中終端設(shè)備為RFD，其他兩種為FFD。RFD作為樹枝末位的節(jié)點，一次只能連接一個FFD設(shè)備。
    因為溫度濕度信號不會突變，所以在正常情況下每120s采集1次的頻率足夠滿足要求。成功發(fā)送數(shù)據(jù)后RFD節(jié)點進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省能量；但是若探測到煙霧或者有人闖入，節(jié)點將以突發(fā)的方式傳送數(shù)據(jù)，以求數(shù)據(jù)達到監(jiān)控終端的延時最小。

2 節(jié)點硬件設(shè)計
    由于節(jié)點的數(shù)量較大，為了方便生產(chǎn)，將FFD和RFD設(shè)備的主要區(qū)別放在軟件方面；而硬件部分除了協(xié)調(diào)器具有UART接口外，其他都是相同的。總體分為核心單元CC2430、傳感器模塊以及電源管理模塊3部分。硬件的總體框圖如圖2所示。

2．1 核心單元CC2430
    CC2430是TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的SoC解決方案，可用于各種ZigBee無線節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。它延用了 CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、存儲器和微控制器。CC2430F128內(nèi)嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KBFlash，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路，MAC協(xié)處理器、看門狗定時器，以及21個可編程I／O引腳，支持4種不同程度的休眠模式。
2．2 傳感器模塊
    (1)溫濕度傳感器
    采用瑞士Sensirion傳感器公司推出的SHT1O溫濕度一體傳感器。該傳感器芯片由溫度和濕度探頭、校準(zhǔn)存儲器、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙向I／O兩線串行輸出接口組成。其工作電壓為2．4～5．5 V，支持閑時自動低功耗。測濕精度為±4．5％RH，25℃時測溫精度為±0．5℃。SHT10對溫度或濕度的測量由串行輸入的指令確定，測量值的輸出可選擇為8位、12位或14位。
    (2)煙霧報警傳感器和人體紅外傳感器考慮到監(jiān)控人員對煙霧和闖入人員的信息需求只限為“有”或“沒有”，因此兩種傳感器只需在事件發(fā)生時傳遞一個脈沖信號即可。此脈沖經(jīng)過濾波限流后輸入CC2430的I／O口，將相應(yīng)的I／O口設(shè)置為上升沿中斷檢測模式即可檢測信號。
    煙霧報警傳感器采用SH－533模塊，搭載TP1．1氣體傳感器，附帶蜂鳴器、LED報警指示；工作電壓7～20 V，靜態(tài)電流10 mA，檢測面積為10 m2左右。煙霧觸發(fā)輸出為5 V高電平脈沖信號，由于CC2430工作電壓為3．3 V，所以用電阻對其做了簡單的分壓。
    人體紅外傳感器采用sH－912模塊，搭載PIR熱釋電傳感器并配合菲涅爾透鏡使用；工作電壓4．5～20 V，靜態(tài)電流50 μA，感應(yīng)角度110°，最大感應(yīng)距離7 m。紅外觸發(fā)輸出3．3 V脈沖信號。
2．3 電源管理模塊
    為保證傳感器采集數(shù)據(jù)的及時傳遞，減小終端在競爭信道過程中產(chǎn)生的碰撞造成能量的損耗，本系統(tǒng)中FFD設(shè)備采用不間斷供電(UPS)。即使在庫房掉電的情況下，F(xiàn)FD設(shè)備也能靠充電電池維持工作。

3 軟件設(shè)計
3．1 Z－Stack簡介
    Z－Stack是由TI公司推出的基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧軟件，可在www．focu．ti．com．cn免費下載。它包含了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)描述的各層次的功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API。通過調(diào)用這些API，可以實現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中各層次的相應(yīng)功能?；谶@些功能模塊，可以更便捷地開發(fā)出各種基于ZigBee協(xié)議的應(yīng)用產(chǎn)品。圖3為Z-Stack結(jié)構(gòu)。(注：Z-Stack協(xié)議棧核心的部分，包括安全模塊、路由模塊、Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持等，都只以庫的方式提供。)

    在終端設(shè)備嵌入式軟件中，操作系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)的是簡單的任務(wù)輪詢和工作調(diào)度的功能，同時還需實現(xiàn)節(jié)點硬件的初始化和功能配置。這個操作系統(tǒng)模塊不是真正意義上的操作系統(tǒng)，而是一個具有操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度功能的模塊。該操作系統(tǒng)模塊在Z-Stack中由OSAL組件構(gòu)成。操作系統(tǒng)模塊的任務(wù)調(diào)度具體方式是：首先，為需要實現(xiàn)的功能建立任務(wù)，且每一個任務(wù)有不同的事件。當(dāng)操作系統(tǒng)運行時，會不間斷地輪詢所有任務(wù)的標(biāo)志位。若標(biāo)志位有效，則表明該任務(wù)有事件發(fā)生，調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)，并在任務(wù)處理函數(shù)中，根據(jù)標(biāo)志位，判斷是什么事件發(fā)生。然后，系統(tǒng)做出對應(yīng)的操作，最后將標(biāo)志位清零。
3．2 樹簇拓撲的形成及路徑發(fā)現(xiàn)與維護
    由于文章篇幅有限，不能依次介紹方案中比較關(guān)鍵的應(yīng)用層、硬件描述層、NWK層以及OSAL，以下著重描述NWK層的樹簇拓撲的形成以及路徑的發(fā)現(xiàn)與維護。
    Z-Stack總共默認65 000個設(shè)備入網(wǎng)。為保證網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的地址是唯一的，使用了分布式尋址方案，由父節(jié)點分配子節(jié)點地址。此種算法保證了控制端的數(shù)據(jù)包能夠精確地發(fā)送到指定設(shè)備，子節(jié)點也只能有一個父節(jié)點，有助于網(wǎng)絡(luò)的可測量性。在網(wǎng)絡(luò)初始化之前，有幾個參數(shù)需要配置，分別是MAX_DEPTH、MAX_ROUTERS 和MAX_CHILDREN[6]。
    MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度。協(xié)調(diào)器在最頂層，位于深度0；它的子節(jié)點位于深度1，依此類推。MAX_CHILDREN決定了一個路由器或者一個協(xié)調(diào)器可以處理的最大子節(jié)點個數(shù)。MAX_ROUTERS決定了一個路由器或者一個協(xié)調(diào)器可以連接的最大路由器的個數(shù)。這個參數(shù)是 MAX_CHILDREN的一個子集，終端設(shè)備使用(MAX_CHILDREN-MAX_ROUTERS)剩下的地址空間。圖4為使用自定義棧配置后的網(wǎng)絡(luò)拓撲和節(jié)點地址分配示意圖。LAYER1最多20個節(jié)點，其中包含6個路由節(jié)點。

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