基于ZigBee无线传感器网络的仓储监控系统的设计

摘 要：无线传感器网络技术或物联网技术近年来引起了国内外研究者的广泛关注，并开始大量应用在工业、农业、环境等领域。仓库、大型储藏室等设施对空气中的温度、湿度、光强等环境因子非常敏感，且存在盗窃隐患。本研究就是立足于仓储设施的这一需求，设计了一套无线传感器网络监测系统。本系统通过传感器节点实现人体红外、温湿度及光强传感器的检测，并将信息汇聚到主控节点，可以实现环境异常报警，降低了人工巡视的工作强度。

关键字：ZigBee；JN5148；无线传感器网络；仓储监控

1 引言

无线传感器网络作为一种新兴的、跨学科的技术，已经引起了国内外多领域的广泛关注，并与通信技术和计算机技术构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及无线通信技术等多个领域的关键技术，能够实现实时监测、采集网络分布区域内的各种客观环境或监测对象的数据信息，并对这些信息进行处理，选择性的将有用信息传输给用户[1-3]。近几年提出的物联网（Internet of Things， IOT ）概念把无线传感器网络技术扩展到更大应用空间，被称为是继计算机技术、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，并与互联网一起构成智慧地球[4， 5]。

基于IEEE.802.15.4标准的ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信技术，是目前传感器网络的首选技术之一，目前已被广泛应用于环境监测的各个领域。比如森林火灾监测；气象和地球物理研究；洪水检测；化学/生物监测；土壤矿物质检测；大气环境分析等。本研究将ZigBee网络技术应用到仓库、储藏室等地方，以实现远程监控仓储环境，及时发现异常情况，免去或降低人工看守成本的目的。

2 方案设计

2.1 系统总体结构

系统主要由传感器及无线网络控制器组成，传感器包括空气温度、湿度、光强及人体红外传感器。控制器选择了内嵌了ZigBee协议的英国JENNIC公司的JN5148模块。其系统总体框图如下：

2.2 主控节点的设计

主控节点即控制器节点的首要任务是数据的汇聚和存储，同时提供LCD显示功能。首先，它先通过无线通信模块把各节点的信息收集起来，然后通过处理器模块进行进一步的处理，之后再进行相应的显示和存储。数据的收集、显示、存储均需要电源模块的支持。其硬件结构框图如图2所示，主要由显示模块、存储模块、处理器模块、无线通信模块及电源模块组成。

2.3 终端及路由节点的设计

传感器节点包括终端节点及路由节点，二者都可以实现数据的采集，区别在于终端节点处于整个网络的末端，只负责发送数据，可进入休眠模式；而路由节点则具有“桥梁”的作用，可以对终端节点发出的数据进行中继转发，不能进入休眠模式。ZigBee协议点对点的通信距离为百米，通过路由节点的中继转发后，无线传感器网络的传输距离大大增加，将显著扩大了整个系统的监控范围。

传感器节点的首要的任务是数据采集；其次，还要对采集到的数据进行预处理；最后，通过无线通信的方式把预处理后的数据发送到主控节点。节点的设计关键在于与传感器的连接。本设计中，各传感器节点均包含了人体红外感应模块、温湿度传感器及光强传感器。DYP-ME003 人体感应模块，只感应人或动物体发出的红外线，可以广泛地用于防盗报警。其主要由传感器电路部分及菲涅耳透镜组成。传感器电路部分将接收到的红外光转换为电压信号；菲涅耳透镜主要作用则是汇聚光线，其反面形成的明暗相间的可见区和盲区特征被用来检测移动的红外热源。当测量范围内出现移动的人或动物时，传感器将报警。

光强传感器采用的是GY-30数字光模块。该芯片供电电压为3-5 V，光照度测量范围为0-65535 lx，传感器内置16位A/D转换器可实现数字输出，使用方便。

3 软件设计

软件设计是在ECLIPSE集成开发环境中完成的，采用了基于ZigBee协议的网状拓扑结构。主控节点及终端节点的程序流程图如图3所示。主控节点负责建立并维护整个网络，接收来自本局域网络中终端及路由节点的加入。网络建成后进入空闲状态，等待中断事件发生。当收到来自网络节点的中断请求时，主控节点将判断中断消息的种类，并进行相应的处理。节点传来的传感器数据将在控制器中处理并显示、存储。终端节点加入网络成功后进入休眠模式，并通过定时器对其进行唤醒，对各传感器数据进行采集后发送到主控节点，发送不成功的数据可重发一次。

4 结语

本研究针对仓储环境需要无人化监管的现实需求，设计了一套基于JN5148 ZigBee模块的无线传感器网络监测系统。系统在各传感器节点上集成了人体红外感应模块、温湿度传感器及光强传感器，通过分布式排列，可以实现对大型、甚至超大型仓库的环境监控，实现防盗、储存环境异常报警等功能。系统使用内嵌的ZigBee协议及成熟的传感器模块，工作稳定可靠，成本低，易于推广。