基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對傳統(tǒng)人工采集費(fèi)時(shí)費(fèi)力和有線監(jiān)控布線復(fù)雜、維護(hù)困難的局限性，將傳感器與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)及信息的無線收發(fā)，通過公共網(wǎng)關(guān)接口CGI將數(shù)據(jù)和控制信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)，操作人員從遠(yuǎn)距離的PC機(jī)上實(shí)時(shí)查看數(shù)據(jù)、實(shí)施控制，從而實(shí)現(xiàn)了真正意義的遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器；環(huán)境控制；CGI

現(xiàn)有的機(jī)房監(jiān)控主要采用人工監(jiān)控和有線監(jiān)控兩種方法。傳統(tǒng)的人工檢測和控制方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力；有線傳輸面臨著布線復(fù)雜、維護(hù)和更新升級困難，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生給它帶來了一場全新的革命。
文中提出了一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能機(jī)房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過對機(jī)房的濕度、溫度、光照、火警和水浸等幾個(gè)重要因素進(jìn)行實(shí)時(shí)的智能化監(jiān)測和控制，同時(shí)還可以通過手機(jī)短信通知管理者。文中重點(diǎn)介紹了基于ZStack的應(yīng)用程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)房內(nèi)多種信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測、處理和控制。

1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。ZigBee是建立在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)之上的，IEEE規(guī)定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層，網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持子層和高層應(yīng)用規(guī)范由ZigBee聯(lián)盟制定。ZigBee協(xié)議規(guī)定了3個(gè)可用頻段868 MHz、915 MHz和2．4GHz，分別提供：1個(gè)、10個(gè)和16個(gè)共計(jì)27個(gè)信道。其中2．4GHz為全球通用頻段，傳輸速率達(dá)250Kb／S。 ZigBee技術(shù)采用CSMA—CA的信道接入方式，可有效避免通信的沖突。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀、網(wǎng)狀和樹狀三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，其連接地址分為16位短地址和64位長地址，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，可組成多達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)，一個(gè)區(qū)域可以有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)存在。
基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有低成本、低功耗、低速率、高可靠性等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
以自動(dòng)控制原理為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感器與執(zhí)行器件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)配有傳感器感知機(jī)房環(huán)境，控制節(jié)點(diǎn)配有執(zhí)行器件改善機(jī)房環(huán)境。傳感器節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)相互配合，共同為機(jī)房內(nèi)機(jī)器運(yùn)行提供適宜的環(huán)境。

本系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的神經(jīng)末梢，負(fù)責(zé)感知環(huán)境的變化，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2．2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
網(wǎng)關(guān)是互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通訊橋梁。本方案提供了3種網(wǎng)關(guān)接入方式：本地訪問、手機(jī)訪問和互聯(lián)網(wǎng)訪問。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．3 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在3種邏輯設(shè)備類型，即協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備，并且在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器被激活后，它就會(huì)建立一個(gè)自己的網(wǎng)絡(luò)。本方案采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，在星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中只有一個(gè)唯一的PAN主協(xié)調(diào)器，通過選擇一個(gè)PAN標(biāo)識符確保網(wǎng)絡(luò)的唯一性。路由或終端都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中來。

3 硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)硬件主要包括3部分，其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)核心是基于TI公司的CC2430開發(fā)的無線模塊；網(wǎng)關(guān)是基于ARM微處理器的嵌入式平臺；主控中心是PC機(jī)。
CC2430是挪威Chipcon公司的一款真正符合IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本、低功耗的要求。CC2430無線單片機(jī)在待機(jī)時(shí)的電流消耗僅0．2μA，在32 kHz晶振下運(yùn)行時(shí)的電流消耗小于1μA。因此，使用小型電池壽命可以長達(dá)10年。