摘要：Zigbee是一種能滿足低成本、低能耗無線通信技術協議標準,主要應用于近距離無線連接、控制。介紹Zig-bee技術的主要特點,并通過Zigbee傳感器無線網絡連接將館藏圖書的溫濕度信息經射頻發射器傳送到控制室的接收器模塊上,并顯示溫濕度。能夠讓管理員在控制室及時了解各房間的溫濕度情況及各控制器的運行狀態。管理員能夠設置各無線節點實現對圖書館的自動和手動溫濕度控制。
1 無線Zigbee網絡
Zigbee是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線網絡通信技術，適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。它是一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案，主要用于近距離無線連接，具有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間互相協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此，其通信效率非常高。Zigbee技術的主要優點有：省電、可靠、成本低、時延短、網絡容量大、安全。它工作于無需注冊的2.4GHz ISM 頻段傳輸速率10 M~250KB/S,傳輸距離10~75m.完整的Zigbee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由Zigbee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。
如圖1 為Zigbee協議架構。Zigbee 是在IEEE802.15.4基礎上開發的應用于無線傳感器網絡上的通信協議。它屏蔽了IEEE 802.15.4協議層的一些復雜的細節問題，使開發人員能夠在短時間內開發出產品。系統采用Zigbee協議進行設計開發。
CC2430的Zigbee協議棧中定義了3種設備：節點（End device）、路由器（Router）和協調器（Coordinator）。其中：Coordinator節點發起網絡，等待Enddevice或Router節點加入。Enddievice只能作為采集和接受數據葉子節點加入網絡，不具備數據轉發的能力。Router節點的程序基本功能和Enddevice一樣，Router作為Router或Enddevice的父節點，可以轉發數據。Zigbee協議支持的網絡結構有星狀、樹狀和Mesh網絡結構。溫濕度數據采集與控制采用的是Router設備。與后臺計算機相連的是Coordinator節點。
圖1 Zigbee協議棧架構
2 基于Zigbee的館藏圖書溫濕度監測系統的構成
檔案管的檔案，圖書館的藏書，溫濕度過高或過低都很容易引起損壞。正常的保管溫度范圍為16~22℃，濕度為45%~55%RP.為此，研制了基于Zigbee的圖書館溫濕度監控系統，使圖書館保持在一個恒定的溫濕度范圍。
2.1 傳統館藏圖書溫濕度監測系統的構成
傳統的圖書館藏書溫濕度監控系統的構成如圖2所示。優點是傳輸距離較遠，可靠性較高；缺點是布線困難，增加節點軟硬件都需要重新設置。
圖2 傳統的圖書館藏書濕度監控系統
2.2 由Zigbee無線傳感器組成館藏圖書溫濕度監測系統
館藏圖書溫濕度監控系統由溫濕度傳感器、控制器、射頻發射器和接收機組成。溫濕度傳感器采用SHT11系列產品，SHT11系列產品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標定的數字輸出，通過兩線制的串行接口與內部的電壓調整，使外圍系統集成變得快速而簡單。微小體積、極低功耗等優點使其成為各類應用中的首選。信號控制處理與發射接收單元采用chipcon 公司生產的2.4GHz射頻芯片CC2430,該芯片延用了CC2420芯片架構，在單個芯片上整合了Zigbee射頻（FR）前端、內存和微控制器。它使用1 個8 位MCU（8051），具有128kB可編程閃存和8kB的RAM,并包含模擬數字轉換器、幾個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I/O 引腳。
安裝在房間每一個點的溫濕傳感器將房間里的溫濕度信息經射頻發射器傳送到控制室的接收器模塊上，并顯示溫濕度。能夠讓管理員在控制室及時了解到各房間的溫濕度情況及各控制器的運行狀態。由Zigbee無線傳感器組成的監測網絡如圖3所示。以Zigbee為基礎的館藏圖書溫濕度監測系統，不需要布線，網絡容量大，可以管理更多的無線節點。網絡中的無線節點可分為無線節點和控制節點，當溫度越限時，通過無線節點啟動空調和加濕或除濕設備來調節溫濕度。
圖3 館藏圖書溫濕監控Zigbee無線監控系統
2.3 由Zigbee無線傳感器構成館藏圖書溫濕監測無線網絡的硬件實現
館藏圖書Zigbee無線網絡是一個星狀網絡，系統中有網絡協調器和若干個無線測控節點。網絡協調器設立在值班室或控制室內，負責建立和管理網絡。并顯示當前網絡的狀況。而無線節點則分布于每個書庫中，負責采集溫濕度值，并發送到網絡協調器，網絡協調器根據測量結果決定是否啟動無線控制節點。如果超越溫濕度允許值范圍，則啟動變頻調速控制空調或加濕（除濕）設備，實現對圖書館的自動和手動溫濕度調節。本溫濕度監控系統的基本原理是測量及消除偏差，利用控制理論中PID（比例積分微分）控制。CC2430接收SHT11傳感器溫濕度數據（數字信號）進行PID 運算和輸出。電器驅動電路控制的設備如加熱、風扇、加濕器。利用單片機的I/O口作為控制端口，通過控制電磁繼電器達到對電器的控制。
2.3.1 網路協調器的電路結構
以Zigbee發射接收、數據處理元件CC2430為核心的圖書館Zigbee無線網絡協調器的電路結構如圖4所示。
圖4 網路協調器的電路結構
2.3.2 Zigbee無線節點
圖書館無線節點分別為測量節點和測量控制節點，如圖5（a）、（b）所示。各書庫中傳感器測量出溫濕度值，送給網絡協調器，網絡協調器將對測量進行分析，如果超越溫濕度允許值范圍，則通過網絡中無線節點的控制節點啟動變頻調速控制空調或加濕機。
2.3.3 CC2430模塊
CC2430芯片以強大的集成開發環境作為支持，內部線路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業標準為支持，得到嵌入式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進的Zigbee協議棧、工具包和參考設計，展示了領先的Zigbee解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統和無線感應網絡等領域，同時也適用于Zigbee之外2.4GHz頻率的其他設備。
1）CC2430芯片的主要特點：高性能和低功耗的8051微控制器核，集成IEEE802.15.4標準的2.
4GHz的RF無線電收發機，優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性，集成了14位模數轉換的ADC,集成AES安全協處理器，帶有2個強大的支持幾組協議的USART,以及1個符合IEEE 802.
15.4規范的MAC計時器、1個常規的16位計時器和2 個8 位計時器，強大和靈活的開發工具。
CC2430的Zigbee基本組成如圖6所示。
圖6 CC2430結構
2）典型應用電路。CC2430的典型應用電路如圖7所示。
3 館藏圖書溫濕監控無線網絡的軟件設置
館藏圖書無線測控網絡中的軟件主要包括協議棧軟件和應用軟件。協議棧軟件一般由芯片或Zigbee集成產商提供。系統基于Zigbee協議棧進行開發，應用開發主要針對具體應用開發出系統應用層軟件程序。本應用的軟件編程主要分為網絡協調器應用軟件和傳感器測控應用軟件。協調器負責管理網絡、匯聚數據和提供與計算機管理軟件的接口，傳感器測控數據通過網絡無線節點的控制節點控制是否啟動變頻調速控制空調或加濕機。本系統使用星形網絡實現通信，網絡配置一個網關（協調器）和多個傳感器節點，在星形網絡中所有的傳感器節點只與網關通信，為實現這一功能，網關必須知道每個采集節點的網絡地址，這需要每個節點在加入網絡后把網絡地址發送給網關，網關收到網絡地址后建立地址表并存儲，以便用戶要求采集數據時依據地址表來采集每個傳感器的數據。IEEE802.15.4MAC數據包最大長度為127字節，每個數據都由頭字節和16CRC值組成，在數據傳輸中使用應答數據傳輸機制，設置ACK標志位為1的幀會被接收器應答，如果在一定期限內未收到應答，則證明采集節點發生錯誤。由CC2430元件為核心組成的Zigbee測控網絡的協調器和控制節點的軟件流程如圖8、圖9所示。
4 結束語
Zigbee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標簽技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。Zigbee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。Zigbee無線網絡成本低，雙向全時的特點在館藏圖書溫濕度監測等方面得到廣泛的應用。
