ZigBee无线通信技术在电力仓储中的应用

在电力仓库管理和物资保存过程中, 环境温度和湿度是非常重要的控制参数, 当温度湿度变化超过一定范围, 会对储备物资的质量造成很大的影响, 使电力物资的物理和化学性质产生变化, 机械性能变坏, 物体强度降低, 发生金属锈蚀, 生虫霉变等等。传统的仓储部门是由仓管员不定时查看、记录仓库和车间的湿度值, 费时间和人力, 数据不是很客观。我们和电力公司物流中心合作, 在分析研究现有仓储监测措施的基础上, 将基于Zig Bee的无线传感器网络技术应用于电力仓储环境监测领域, 设计了基于CC2530芯片的传感器节点硬件结构和软件系统, 构建了仓储管理环境参数多点监测系统的智能组网方案, 该系统可以对仓库目标节点的温度、湿度和烟雾等环境参数进行全面、快捷的无线采集和保存查询。

(1) Zig Bee通信技术是一种短距离、低数据速率、低复杂度、低功耗的无线通信技术, 基于Zig Bee的无线传输设备由于体积小、功耗低、传输好、灵活位置等优点, 在温室环境参数监测方面具有广阔的应用前景。Zig Bee通信技术是物联网应用的核心技术之一。

Zig Bee网络中存在三种节点, 协调器 (Coordinator) 、终端节点 (Enddevice) 和路由器 (router) 。又分为全功能设备FFD与精简功能设备RFD。

Zig Bee网络中全功能器件FFD具有完整的协议功能, 在网络中可以作三种节点中的任意一种。精简的功能器件RFD主要目的是要实现非常简单的协议功能, 因此只能够在网络中作普通的节点。FFD可以和RFD或其他的FFD进行通信, 可是RFD只能和FFD进行通信。Zig Bee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器。支持星型网、树状网和网状网三种网络拓扑结构。图1为常见的zigbee无线网络结构图。

在仓储管理与监测方面, 采用Zig Bee无线通信技术在大型仓储、农业大棚等需要多点多参数数据采集的环境中, 能够避免有线传输情况下布线费用昂贵, 维修困难, 难于扩展的不足, 更便于移动节点的数据采集。

本项目根据某电力仓储物资管理应用中的实际问题, 采用Zig Bee无线技术, 采用星型网络拓扑结构实现组网, 应用CC2530通信模块及SHT11温湿度传感器, 设计出一套仓储环境多点温湿度实时监测系统。监测系统由两个部分构成:监控显示模块和Zig Bee无线传感器网络。Zig Bee温度监控系统测试主要功能是:协调器自动建立一个网络, 网络中各传感器节点发现该网络后, 加入该网络, 自动完成绑定, 并工作于采集模式, 开始向协调器发送温湿度数据;协调器节点通过串口将传感器节点采集的温度数据上传至监控平台显示PC, 显示在监控屏幕上, 保存到数据库中, 管理员可以访问整个仓储温室环境各种信息。仓储环境显示信息能够以数字及图形曲线形式表示, 管理员能够直观详尽了解仓储环境多个参数的实时和历史状态, 或及时采取相应措施。

(2) 协调器节点的硬件设计:协调器属于全功能设备FFD。协调器节点的主要作用首先是启动和配置网络, 即网络组网的过程中第一个启动的设备就是协调器, 当协调器配置好以后其他设备才能加入;协调器的工作任务在于控制各个终端传感器节点的工作节奏, 接收各终端节点的监测数据, 将收集的温湿度数据通过串口上传到上位机监控平台。协调器硬件采用新一代射频模块CC2530F256芯片, 其内含增强型低功耗8051微控制器内核和高性能无线射频模块, 具有256KB可编程闪存, 是优秀的片上系统解决方案, 支持IEEE802.15.4/Zig Bee/Zig Bee RF4CE标准和Zig Bee2007/Pro协议栈, 带自2个USART接口, 模块能便捷完成信号的收发功能。

(3) 传感器节点硬件设计:传感器节点主要负责温湿度数据的采集、发送以及控制指令的接收执行, 是采集终端节点, 该节点属于半功能设备RFD。硬件部分与协调器节点类似, 采用2.4GHz集成CC2530射频模块。所采用的温湿度传感器是Sensirion公司的新一代的数字式温湿度露点传感器SHT1 1, 可实现免标定、免调试、数字式输出及全互换功能。其温度采集精度可达±0.5℃, 湿度采集精度达±3.5%RH, 其采用双向两线串行数据接口能与CC2530-Zigbee模块进行通讯。终端节点同时配置其他传感器, 可实现烟雾报警、红外线人像监测。

(1) 系统开发环境:采用流行的IAR Embedded Workbench For C8051开发平台, 软件基础设计采用TI公司CC2530芯片组支持的Zig Bee2007/Pro协议软件, 以ZStack中Sensordemo等例程为基础, 通过APP程序2次开发来建立所需要的项目。利用CC Debugger完成程序的下载工作。

项目程序包含协调器节点和传感器节点两个子工程。协调器工作时, 协调器协议栈运用初始化函数, 进行网络各层的任务初始化;当接受到传感器节点加入网络之后, 协议栈会根据事件的task_id进入网关节点的任务事件处理函数。按照循环请求的方式向终端节点请求采集数据, 处理数据, 延时等待, 再次进入循环工作状态。PC通过串口与协调器通信, 上位机监控系统软件向协调器发送数据请求指令, 协调器的串口回传函数uart Rx CB就进行相应处理, 调用sys_Ping_Request () 向PC机发送协调器的基本信息。

传感器节点初始化后, 扫描网络信道, 寻找到相应的父节点并加入网络。通过初始化函数Sensor Node_Init () , 调用osal_start_timer Ex () , 该函数有三个参数, 用来设置事件和定时, 并向ZStack发送测温事件SEND_DATA_EVENT, 故可在轮询时发现这个事件标志, 进入事件的处理函数Sensor Node_Process Event () , 进行参数的数据采集, 数据就由此传感器节点通过发送函数AF_Send Data Request () 传到协调器节点。没有事件时则节点进入休眠状态。

(2) 上位机监控终端软件设计:自主开发了zigbee无线传感器网络监控系统软件ZEPC V1.0, 系统主界面如图3。上位机软件采用主流的Java技术实现, 将每个无线终端节点的温度、湿度、及电池容量等采集数据汇总到人机监控界面中, 形成用户适用的数据表现形式, 每个采集点的温度、湿度、报警等信息都用数字或实时曲线图的方式展示出来, 方便监控管理员直观地查看。采集到的实时数据存入到数据库, 可显示参数列表、实时曲线图、实时数据、累计数据、历史、报警画面、报表等多种显示、统计功能, 更加贴近用户需求。

1) 串口读写:监测系统的协调器在收集到终端节点传来的采集数据后通过串口发送给上位机, 上位机通过串口将控制命令发送给协调器, 协调器再将命令发送给终端节点进行控制。串口数据的收发采用SUN公司提供的Jcomm API实现, Jcomm API提供了对常用的RS232串行端口通讯的支持。JComm API中Comm Port Identifi er类是对串口进行访问控制的核心类, 主要用于对串口进行设置。

2) 实时曲线图的实现:通过Java多线程技术及JFree Chart技术, 可以将采集到的温湿度等数据以实时曲线图的方式展示。时序图的实现用Chart Factory类的create Time Series Chart () 方法实现。曲线上的数据则通过线程, 在指定的时间间隔内将采集到的数据和当前时间添加到时序图中, 从而形成实时波动的图像。

3) 历史数据查询:采集到的数据存入数据库后, 就可以对历史数据进行查询处理。数据库选用微软的SQLServer, 通过一张表来存储节点地址、温度、湿度等数据。利用JDBC来访问数据, 并使用SQL语言对数据库进行增删改查操作。

(3) 系统现场测试:为了测试系统的性能, 在电力公司经开区物资仓库进行了实测。仓库大厅约3000平米。在测试中, 我们故意地对仓库各处传感器终端上进行了加温、加湿、烟雾等干扰, 从显示终端上看这些干扰都能相应地在监测系统中看到变化。在仓库空旷处终端节点数据可以稳定传输60-70多米。在仓库物资遮拦处数据可以稳定传输30-50米。测试中发现节点天线的高度和位置是影响信号传输的重要因素, 另外随着储物数量的变动, 节点天线放置高度, 设备流动和体积等等也是重要的影响因素。

运用Zig Bee协议及通信模块设计并实现了一种新型无线传感器网络监测系统, 完成了电力仓储温室内温湿度等环境参数的实时监测, 系统运行稳定, 达到了预期的目标。由于传统的布线监控方式越来越显现出它的局限性, Zig Bee无线传感器网络为需要搭建多参数传感器网络的仓储环境监测系统提供了更多精准有效的方案。