楊建衛(wèi)， 任曉莉

(寶雞文理學(xué)院 計算機學(xué)院，寶雞 721016)

0 引言

隨著人們物質(zhì)需求的不斷增長和電子商務(wù)的廣泛推廣及應(yīng)用，物品的流動量越來越大，帶動了物流行業(yè)的蓬勃發(fā)展，然而大物流量使倉庫存儲數(shù)量和種類也隨之增多，倉庫普遍存在集中存儲的現(xiàn)象，不能滿足各類物品倉儲的環(huán)境要求，也存在嚴重的安全隱患[1]?，F(xiàn)有的倉庫環(huán)境檢測方法比較低效，主要靠人力去現(xiàn)場巡查或監(jiān)測一些簡易檢測裝置，不能實現(xiàn)全方位環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集，缺少全局性和實時性。高效的倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)對保障倉庫環(huán)境安全至為重要，因此開發(fā)了基于Zigbee倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)。

1 Zigbee技術(shù)簡介

在倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)中，倉庫子網(wǎng)構(gòu)建是系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽勘Ｕ希?，組網(wǎng)是非常重要的。倉庫組網(wǎng)一般遵循以下原則：首先，必須要能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計功能的基本需求；其次，對性能的要求很高，比如要對采集到的數(shù)據(jù)可靠傳輸、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性也必須良好、網(wǎng)絡(luò)組建成本必須要相對較低、連接網(wǎng)絡(luò)的速度也要很快等。

ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，相較于其它無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，最突出的特點有：低速率，高容量，低功耗和價格低，很適合無線遠程檢測和自動化控制領(lǐng)域[2]。ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中，協(xié)調(diào)器(Coordinator)主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立和相關(guān)參數(shù)配置，如果這些任務(wù)完成，協(xié)調(diào)器就退化成一個路由器甚至消失。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)本身的特性，所以接下來不再依賴協(xié)調(diào)器。ZigBee 路由器(Router)允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，操作網(wǎng)絡(luò)報文的路由信息并負責轉(zhuǎn)發(fā)報文。ZigBee 終端設(shè)備(End-Device)可以加入、退出網(wǎng)絡(luò)，只是用來接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文，沒有維持網(wǎng)絡(luò)的責任，所以耗能特別少，通常只要接入一節(jié)干電池便可[3]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)是以Zigbee無線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合Internet網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)建立。為了實時對倉儲的環(huán)境信息進行檢測，需要在倉庫中安裝不同功能的節(jié)點模塊，這些模塊包括傳感器模塊、通信模塊和執(zhí)行器模塊[4]。通過檢測中心匯聚后對各種信號進行協(xié)調(diào)處理，實現(xiàn)傳統(tǒng)倉庫管理的網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化，以達到全方位自動化的檢測控制，保證倉庫環(huán)境的安全，爭取利益最大化。

倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)從層次來分，一般由設(shè)備節(jié)點模塊、電器主節(jié)點、網(wǎng)關(guān)等組成。本系統(tǒng)的總體框架，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

設(shè)備節(jié)點模塊主要包括3部分：射頻收發(fā)模塊、運算和控制單元模塊、傳感和執(zhí)行模塊。本系統(tǒng)中設(shè)備節(jié)點是基于CC2530的ZigBee無線收發(fā)模塊[5]，節(jié)點終端的傳感和執(zhí)行模塊，負責對可燃性氣體、溫濕度情況的探測、數(shù)據(jù)的采集，通過運算控制單元操作完成各種控制。

系統(tǒng)子網(wǎng)絡(luò)中全功能設(shè)備(FFD)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立與正常運行，完成網(wǎng)絡(luò)的初始化、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等功能。而精簡功能設(shè)備(RFD)在子網(wǎng)中扮演倉庫設(shè)備節(jié)點，主要負責完成信息采集和命令響應(yīng)等功能，倉庫設(shè)備節(jié)點只能與FFD主節(jié)點進行通信。FFD主節(jié)點通過串口通訊，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)中，以實現(xiàn)信息的交換和共享，并且完成和外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，網(wǎng)關(guān)一般還負責倉庫設(shè)備的控制管理。

2.2 系統(tǒng)的工作流程設(shè)計

2.2.1 協(xié)議棧運行基本流程

程序在啟動后從main函數(shù)開始執(zhí)行，本協(xié)議棧中的main函數(shù)主要流程包括如下部分，如圖2所示。

系統(tǒng)硬件初始化完成之后，就開始進入操作系統(tǒng)的入口程序，此后的操作權(quán)都將由操作系統(tǒng)所有。

OSAL初始化工作主要包括對內(nèi)存管理的初始化、消息隊列的初始化、電源初始化、時鐘初始化和任務(wù)系統(tǒng)初始化。任務(wù)系統(tǒng)初始化主要進行任務(wù)列表和各項任務(wù)添加的初始化工作。任務(wù)系統(tǒng)也是整個協(xié)議棧的核心部分，主要負責各個任務(wù)模塊之間和用戶應(yīng)用的協(xié)調(diào)運行，是整個系統(tǒng)最重要的部分。

圖2 main函數(shù)處理流程圖

最后啟動操作系統(tǒng)函數(shù)，此函數(shù)有一個循環(huán)體，進行循環(huán)HAL查詢操作來檢測串口數(shù)據(jù)和定時器等任務(wù)，并按照任務(wù)的優(yōu)先級進行檢查是否有事件發(fā)生，進而調(diào)去相應(yīng)的應(yīng)用程序函數(shù)進行響應(yīng)處理。任務(wù)系統(tǒng)初始化時將HAL、MT、MAC、NWK、APS、ZDO模塊，添加到操作系統(tǒng)中完成初始化工作，并且在操作系統(tǒng)中都是以一個獨立的任務(wù)來運行的，操作系統(tǒng)進行相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度。操作系統(tǒng)會專門為任務(wù)事件分配任務(wù)數(shù)組，一個任務(wù)的所有事件存放在一個任務(wù)單元，操作系統(tǒng)輪詢查看每個任務(wù)單元中是否有事件發(fā)生，若有則調(diào)度相應(yīng)的事件函數(shù)，若是沒有繼續(xù)輪詢查看下一個任務(wù)單元。

2.2.2 系統(tǒng)的工作流程

本系統(tǒng)主要是通過不同種類的多個感知節(jié)點的配合，實現(xiàn)全方位不同方面的數(shù)據(jù)信息采集，以Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，采用網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，將采集到的信息實現(xiàn)可靠的傳遞，再由主控界面根據(jù)采集信息發(fā)出指令，實現(xiàn)倉庫環(huán)境的監(jiān)控和危險情況的應(yīng)對。具體過程為：在易燃物品附近安裝MQ-2煙霧傳感器，如果檢測到可燃性氣體超過一定的濃度，煙霧傳感器會將火情信息通過Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送給報警器，觸發(fā)報警器報警，使安全員可以第一時間到達現(xiàn)場，進行易燃氣體的疏散或者對火情加以控制，實現(xiàn)火災(zāi)的預(yù)防和第一時間的控制。在遠離通風口的地方安裝DHT11溫濕度傳感器，對倉庫的空氣溫度和濕度進行實時的數(shù)據(jù)采集，并且實時地顯示在上位機窗口，由倉庫管理人員進行判斷，如果溫度過高或濕度過高，點擊換氣按鈕，就可以遠程打開換氣扇。在倉庫的一些敏感和危險區(qū)域安裝一些HC-SR501人體紅外傳感器，當有人靠近時，警示燈會閃爍，警告不能靠近并且觸發(fā)報警器報警。

本設(shè)計有效地降低了倉庫安全方面的損失，同時也一定程度上節(jié)約了人力成本，主體工作流程，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的工作流程圖

3 系統(tǒng)詳細設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計

倉庫環(huán)境檢測系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括以下部分：

(1)倉庫檢測節(jié)點

在倉庫中布置Zigbee無線模塊作為通信設(shè)備節(jié)點組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備節(jié)點負責監(jiān)測倉庫環(huán)境變化、收發(fā)信號和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)終端模塊單元主要包括射頻模塊、傳感器模塊和受控終端模塊，負責采集環(huán)境中的各類參數(shù)信息，并且對相應(yīng)模塊進行控制。

系統(tǒng)節(jié)點至少包括一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)和FFD設(shè)備，負責整個網(wǎng)絡(luò)建立的全部過程，從系統(tǒng)初始化到整個網(wǎng)絡(luò)的建立、再到地址分配、成員加入、節(jié)點數(shù)據(jù)更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。系統(tǒng)節(jié)點也保證網(wǎng)關(guān)和設(shè)備節(jié)點之間的數(shù)據(jù)正常流轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主節(jié)點的具體的工作過程是：初始化系統(tǒng)、更新網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、進行節(jié)點通訊。

(2)人體紅外感應(yīng)傳感器設(shè)計

對于人體紅外感應(yīng)模塊，本設(shè)計選用了HC-SR501紅外傳感器，D-SUN PIR人體紅外感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動控制產(chǎn)品。這種傳感器的靈敏度高、可靠性也很強、功耗特別小，超低電壓也能正常工作[6]。

(3)溫濕度傳感傳感器設(shè)計

溫濕度傳感器使用的是DHT11，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式的感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測型號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為日常應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選擇。

(4)氣體傳感器設(shè)計

氣體傳感器使用的MQ-2[7]，MQ- 2 氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。 MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。

(5)繼電器設(shè)計

使用SRC-05VDC-SL-C繼電器，此繼電器的工作正常電壓是5 V，常閉直流電流最大10 A，最大電壓是28 V，常開直流最大電壓和電流分別是10 A和30 V，常閉交流最大電壓和電流分別是125 V和10 A，常開交流最大電壓和電流分別是250 V和10 A。

(6)蜂鳴器設(shè)計

蜂鳴器模塊采用S8550三極管驅(qū)動，工作電壓3.3 V到5 V，沒有固定的螺栓孔，方便安裝，采用小板PCB尺寸：3.2 cm*1.3 cm，當I/O口輸入為低電平時，蜂鳴器發(fā)聲報警。

3.2 軟件設(shè)計

初始化系統(tǒng)之后，執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序函數(shù)system_start()，檢測任務(wù)數(shù)組中是否有事件發(fā)生，有則執(zhí)行相應(yīng)的功能函數(shù)。根據(jù)Z-Stack[8]協(xié)議棧調(diào)度流程，設(shè)計了兩個Zigbee工程文件，無線管理接口功能實現(xiàn)工程Neek_wap和Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能實現(xiàn)工程Neek_Device。Z-Stack協(xié)議棧已經(jīng)實現(xiàn)了絕大部分代碼共用，用戶只需要編寫自己的任務(wù)處理函數(shù)，將程序下載到具體的功能模塊，整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)就可以正常運行起來了。

(1)Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序設(shè)計流程

當系統(tǒng)上電初始化完成之后，協(xié)調(diào)器將建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，它的網(wǎng)址、簇ID、網(wǎng)絡(luò)編號都將確定，此刻協(xié)調(diào)器進入空閑等待其它節(jié)點加入。當其他終端節(jié)點申請加入成功，將進入自己相應(yīng)的應(yīng)用層處理函數(shù)。Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流轉(zhuǎn)過程，如圖4所示。

(2)Zigbee終端節(jié)點的程序設(shè)計流程

Zigbee終端節(jié)點的程序設(shè)計是按照各節(jié)點的功能需求進行設(shè)計，程序流程卻基本都很相似，比如溫濕度感應(yīng)節(jié)點程序流程，如圖5所示。

串行端口將CPU和串行設(shè)備有效地連接起來，實現(xiàn)它們之間的串行通信。應(yīng)用程序要使用串口進行通信，必須申請操作系統(tǒng)打開串口，通信結(jié)束必須申請關(guān)閉串口。VC++6.0的MSComm控件提供了串行通信端口，實現(xiàn)程序的串行通信。

圖4 Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點的程序流轉(zhuǎn)圖

圖5 Zigbee終端節(jié)點的程序流轉(zhuǎn)圖

由于各個終端節(jié)點的傳感器信息采集和數(shù)據(jù)傳輸基本相同，所以各模塊的程序進行了統(tǒng)一的編寫實現(xiàn)。本設(shè)計采用事件關(guān)聯(lián)的綁定思想，同種設(shè)備可以和多個采集終端綁定，從而實現(xiàn)靈活地對設(shè)備進行控制，實現(xiàn)設(shè)備之間的功能聯(lián)調(diào)。無線管理接口待相關(guān)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)之后，負責初始化它們的全局變量。檢測上位機發(fā)來的事件，是在工程Neek_WAP中定義實現(xiàn)的，在一個列表中循環(huán)接受綁定請求響應(yīng)。無線管理接口的事件，在工程Neek_Device中定義實現(xiàn)。

經(jīng)測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了各功能模塊。系統(tǒng)運行后，倉庫環(huán)境檢測與控制界面，如圖6所示。

圖6 倉庫環(huán)境檢測與控制

4 總結(jié)

基于Zigbee的倉庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對倉庫環(huán)境的采集與控制，經(jīng)過深入、全面地測試，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)的變化曲線，預(yù)測倉庫環(huán)境變化趨勢，對倉庫環(huán)境進行實地檢測，實現(xiàn)了防火防盜防范預(yù)警功能，有效地降低了倉庫安全方面的隱患，方便了倉庫的管理，保護了商家的利益，也節(jié)約了一定的人力成本。