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(cè)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(jí)困難，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的誕生給它帶來(lái)了一場(chǎng)全新的革命。

　　文中提出了一種基于ZigBee無(wú)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(guò)對(duì)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(cè)和控制，同時(shí)還可以通過(guò)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(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)多種信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、處理和控制。

　　1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　ZigBee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它是一種介于無(wú)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(shù)狀三種自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，其連接地址分為16位短地址和64位長(zhǎng)地址，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(wú)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?jī)?nèi)機(jī)器運(yùn)行提供適宜的環(huán)境。

　　本系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和主控中心組成。無(wú)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(guò)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(wú)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(wèn)、手機(jī)訪問(wèn)和互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)。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)的PAN主協(xié)調(diào)器，通過(guò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符確保網(wǎng)絡(luò)的性。路由或終端都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件主要包括3部分，其中無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于TI公司的CC2430開(kāi)發(fā)的無(wú)線模塊；網(wǎng)關(guān)是基于ARM微處理器的嵌入式平臺(tái)；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(duì)低成本、低功耗的要求。CC2430無(wú)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(zhǎng)達(dá)10年

　　3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由無(wú)線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振模塊、串口模塊和LED指示燈組成，功能模塊如圖3所示。RF的輸入／輸出是高阻和差動(dòng)的，用于RF口合適的差動(dòng)負(fù)載是(115+180 Ω)。當(dāng)使用不平衡天線時(shí)為了優(yōu)化性能，應(yīng)當(dāng)使用不平衡變壓器。由于CC2430的工作電壓為3．3 V，所以要用電壓轉(zhuǎn)換模塊把5 V降到3.3 V。CC2430可以同時(shí)接32 MHz和32．768 kHz的兩種頻率的晶振電路，以滿足不同的要求。串口模塊用于ZigBee協(xié)調(diào)器將無(wú)線接收的數(shù)據(jù)信息傳送給網(wǎng)關(guān)，同時(shí)接收網(wǎng)關(guān)傳送過(guò)來(lái)的控制命令。LED指示燈用于顯示網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。

　　3．2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)由各種數(shù)據(jù)采集模塊、CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能模塊組成，功能模塊如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、火警和水浸等信息并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；CC2430數(shù)據(jù)傳輸模塊負(fù)責(zé)與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)交換、傳輸采集數(shù)據(jù)、接收控制命令。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用來(lái)保存?zhèn)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)。電源管理模塊采用兩節(jié)5號(hào)干電池。LED指示燈顯示加入或退出網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

　　路由器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是將不同區(qū)域的數(shù)據(jù)從傳感器節(jié)點(diǎn)路由到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，因此電路比較簡(jiǎn)單，不再贅述。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR7，系統(tǒng)軟件是基于TI公司的Z-Stack 2006協(xié)議棧開(kāi)發(fā)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中可以看出本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括3大部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；網(wǎng)關(guān)基于Qt的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)；主控中心Web應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，本文著重實(shí)現(xiàn)基于Z-Stack的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

　　4．1 ZigBee協(xié)議棧

　　ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每一層向它的上層提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)，分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(ADL)，應(yīng)用層又分為：應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。其中PHY和MAC位于層，且與硬件相關(guān)；除此之外的其他層建立在PHY和MAC層之上，并且完全與硬件無(wú)關(guān)。分層的結(jié)構(gòu)脈絡(luò)清晰、一目了然，給設(shè)計(jì)和調(diào)試帶來(lái)極大的方便。

　　實(shí)際開(kāi)發(fā)中根據(jù)需要將協(xié)議棧的層次又做了細(xì)化，Z-Stack軟件的總體架構(gòu)如圖5所示。Z-Stack中的硬件抽象層HAL提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，基于HAL之上是操作系統(tǒng)抽象層OSAL，OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)為的系統(tǒng)資源管理機(jī)制。Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來(lái)構(gòu)建，采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各個(gè)層初始化完成后，系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)立刻被喚醒，并轉(zhuǎn)而進(jìn)入中斷處理事件，處理完成后再次進(jìn)入低功耗模式，減少功耗。OSAL把優(yōu)先級(jí)放在了重要的地位。當(dāng)在處理的任務(wù)中有兩個(gè)以上事件待處理，處理完一件后，也要去查詢優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)。賦予優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)的權(quán)利，盡可能保證高優(yōu)先級(jí)任務(wù)的每一個(gè)事件都能得到及時(shí)的處理。操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程如圖6所示。

　　開(kāi)發(fā)所用協(xié)議棧目錄結(jié)構(gòu)如圖7所示。主要用到的文件有：ZMain／ZMian．c、Tools／f8wConfig．cfg、App／OSAL_SampleApp．c和App ／SampleApp．c。其中ZigBee協(xié)議棧的main函數(shù)在ZMain．c中，總體上來(lái)說(shuō)它一共做了兩件事，一個(gè)是系統(tǒng)初始化，即由啟動(dòng)代碼來(lái)初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊；一個(gè)是執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體。fSwConfig．cfg為網(wǎng)絡(luò)配置文件。App／OSAL_SampleApp．c為操作系統(tǒng)任務(wù)初始化和添加文件。App／SampleApp．c為應(yīng)用程序文件。整個(gè)Z-stack的主要工作流程大致分為：系統(tǒng)啟動(dòng)，驅(qū)動(dòng)初始化，OSAL初始化和啟動(dòng)，進(jìn)入任務(wù)輪循幾個(gè)階段。

參考文獻(xiàn):

[1]. CC2430 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CC2430_1055132.html.