基于ZigBee技术的环境监测系统的开发

2011-10-28 09:28:10来源: 互联网

1、引言

  药厂环境条件中的温度和湿度指标是其重要参数, 研制可靠且实用的温湿度监测系统显得非常重要。通常, 采用有线网络实现温湿度监测,具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点。随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快, 并且逐渐达到可以与有线网络相媲美的水平。无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)是计算机、通信和传感器3项技术相结合的产物,近年来得到了飞速发展,已成为计算机科学领域一个活跃的研究分支[1]。而Zigbee是部署无线传感器网络的新技术, 已于2004年底推出。ZigBee技术是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术,目前统一称为ZigBee技术。ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点:决定它将是无线传感器网络的最好选择。1)功耗低;2)数据传输可靠;3)网络容量大;4)兼容性;5)安全性;6)实现成本低;7)自动动态组网、自主路由。

  本文以Zigbee技术开发了一套符合GMP药厂要求的环境温度/湿度监测系统,该系统符合美国食品与药物管理局FDA Part 11标准。系统能对大面积的多点的温度/湿度进行监测,并将数据传输到PC机上进行数据存储与分析,并输出打印曲线,在设备异常情况下还以多种形式的报警通知相应人员。同时系统具有强大的分级管理功能,为不同阶层的用户管理提供了一个多级的管理、监控平台。

2、系统设计

2.1 ZigBee协议框架及其网络拓扑结构

  ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案,它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈结构如图1所示。

                         
                                  图1 ZigBee协议框架

  在标准规范的制订方面,主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织,两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE 802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC与PHY(物理层)规范,在2003年5月通过802.15.4标准; ZigBee建立在802.15.4标准之上,它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层,并不足以保证不同的设备之间可以对话,于是便有了ZigBee联盟。

  在网络层方面,ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑,也允许两者的组合,称为丛集树状。根据节点的不同角色,可分为全功能设备(Full-Function Device;FFD)与精简功能设备(Reduced-Function Device;RFD)。相较于FFD,RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器(Controller)的功能,能够提供数据交换,而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。
  
  ZigBee协议套件紧凑且简单,具体实现的硬件需求很低,8位微处理器80c51即可满足要求,全功能协议软件需要32K字节的ROM,最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。

                                 
                                   图2 ZigBee无线网络的拓扑结构

2.2 系统整体结构

  系统整体结构按照丛集树状拓扑结构来组织,如下图3所示,由若干FFD、RFD,一个网关节点以及监控终端组成。

                    
                            图3 系统整体结构示意图

[1] [2]

关键字:ZigBee技术  环境监测

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2011/1028/article_3808.html
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