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基于医药行业加强质量体系监管的迫切需求，结合先进无线传感器网络技术，我们设计开发了医药远程无线智能环境监控系统。
二、项目技术原理
1、背景技术介绍
无线传感器网络是当前国际上备受关注的由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域,是信息感知和采集的一场革命,被认为是21世纪最重要的技术之一。
所谓无线传感器网络是指由大量部署在作用区域内的.具有无线通信与计算能力的微小传感器节点,通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。
传感器网络的节点距离很短,一般采用多跳的无线通信方式进行通信。
传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet,从而真正实现“无处不在的计算”的理念。
无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,可以应用在国防军事.工农业.环境监测.交通管理.医疗救护和救灾抢险等领域。
图1.4无线传感器网络应用模型
ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。
IEEE 802.15.4是IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineer，电子电机学会）确定的低速率，无线个域网（personalareanetwork）标准。
这个标准定义了“实体层”（physicallayer）和“介质访问层”（mediumaccesslayer）。
介质访问层（MAC）规范定义了在同一区域工作的多个802.15.4无线电信号如何共享空中通道。
介质存取层支持的几种架构，包括星状拓扑结构（一个节点作为网络协调点，类似于802.11的接入点），树状拓扑结构（一些节点依次经过另一些节点才到达网络协调点），和网状拓扑结构（无须主协调点，各个节点之间分享路由职责）。
802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两个物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。
免许可证的2.4GHzISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。
在802.15.4中，总共分配了27个具有三种速率的信道：
在2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s（或62.5ksymbol/s）的信道，在915MHz频段有10个40bit/s（或40ksymbol/s）的信道，在868MHz频段有1个20kbit/s（或20ksymbol/s）的信道。
ISM频段全球都有的特点不仅免除了802.15.4器件的频率许可要求，而且还给许多公司提供了开发可以工作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。
这将减少投资者的风险，与专门解决方案相比可以明显降低产品成本。
在保持简单性的同时，802.15.4还试图提供设计上的灵活性。
一个802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。
从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。
例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250kbit/s，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20kbit/s这样的低速率就能满足要求。
图1.5MAC层的物理信道帧格式
物理帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。
帧起始分隔符（start-of-framedelimiter,SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。
收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。
帧长度（framelength）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。
物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHYservicedataunit,PSDU），一般用来承载MAC帧。
2、项目技术原理
在无线传感器网络中，无线环境复杂多变，信号传输便成为整个应用体系中的关键问题之一，采用DSSS直接序列扩频，可以极大的提高信号的抗干扰、抗噪声、抗衰减能力，为系统稳定可靠的环境数据采集提供充分的保障。
并采用无线网络设备冗余，提高无线网络传输的健壮性，使用多种路由算法结合的方式，灵活多变的解决实际无线网络部署问题。
通过webservices技术实现远程数据传输，远程实时监控，可以极大降低远程平台成本，提高系统平台的稳定性和扩展性。
下面针对项目核心技术进行详细的分析说明：
2.1信号调制方式
信号调制采用直接序列扩频（DSSS）方式，使用伪随机码的方式将数据调制后，在很宽的频率范围内进行传输，在接受端利用与发射端相同的编码进行恢复，发送端和接收端都是以窄带方式进行通信。
DSSS发射功率低于自然的背景噪声，基本避免了通信信号的偷听和窃取，使通信非常安全。
因此，扩频通信方式具有抗干扰、抗噪声、抗衰减和保密性能好的优点。
物理层定义了三个载波频段用于收发数据。
在这三个频段上发送数据使用的速率、信号处理过程以及调制方式等方面存在一些差异。
三个频段总共提供了27个信道（channel）：
868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。
在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。
处理过程，首先将物理层协议数据单元（PHYprotocoldataunit，PPDU）的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列（chipsequence），最后BPSK调制到信道上。
差分编码是将数据的每一个原始比特与前一个差分编码生成的比特进行异或运算：
En=Rn⊕En-1，其中En是差分编码的结果，Rn为要编码的原始比特，En-1是上一次差分编码的结果。
对于每个发送的数据包，R1是第一个原始比特，计算E1时假定E0=0。
差分解码过程与编码过程类似：
Rn=En⊕En-1，对于每个接收到的数据包，E1是第一个需要解码的比特，计算R1时假定E0=0。
差分编码以后，接下来就是直接序列扩频。
每一个比特被转换为长度为15的片序列。
扩频过程按下表进行，扩频后的序列使用BPSK调制方式调制到载波上。
2．4GHz频段的处理过程，首先将PPDU的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。
在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。
扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。
图1.6 扩频编码序列表
2.2 无线传感器网络路由算法
2.2.1WSN路由基本算法
ZigBeeWSN中的节点大体可以分为两种类型：
有路由容量的节点和没有路由容量的节点。
对于树簇拓扑的WSN来说，终端设备通常是RFD精简设备，因此没有路由容量；
而路由器与协调器是由FFD全功能设备组成的，因此有路由容量。
树簇型拓扑的WSN中，通常采用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，其中树簇算法指的是消息沿着树型拓扑进行传输的算法，它是静态的，不需要存储路由表。
该算法适用于节点静止或者移动较少的场合。
而AODVjr算法则是对AdHoc按需距离矢量路由算法的改进，考虑到节能、应用方便性等因素，对AODV的一些特点进行了简化，但是仍然保留了AODV的原始功能。
这两种算法的结合使用确定了WSN路由的三种模式，即：
禁止路由模式、使能路由模式和强制路由模式。
禁止路由模式就是禁止对路径进行查找，因此处于该模式的网络只能使用树簇算法沿着树型拓扑进行路由。
使能路由模式是将树簇算法与AODVjr算法相结合，视具体情况来决定到底采用哪种路由算法。
强制路由模式完全使用了AODVjr算法，只要设备具有路径查找能力，不管消息传输的路径是否已经存在，都要启动一个路径查找过程，当查找完成，数据包将沿着计算出来的路径传送。
2.2.2路由方式
路由的设定通常有三种模式：
禁止路由发现、使能路由发现及强制路由发现。
禁止路由发现（SUPPRESS）：
如果发现网络路由器存在，数据包路由指向该路由器。
否则，数据包沿着树形推进。
使能路由发现（ENABLE）：
如果网络路由器不能确定，路由器可以启动一个路由发现过程，当发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。
如果该路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。
强制路由发现（FORCE）：
如果路由器有路由发现能力，不管路由是否已经存在，都将启动一个路由发现过程。
发现完成，数据包将沿着计算出来的路由传送。
如果这个路由器没有路由发现能力，数据包将沿着树形推进。
这个选择必须小心使用，因为它会产生较大的网络冗余。
它的主要用途是修复破坏了的路由。
对于树形拓扑结构设备间的数据转发，通常将源地址简化为上行路由（routeup）或下行路由（routedown）。
如果LocalAddr<
DestAddr<
LocalAddr+CSkip（d-1）为下行路由，否则为上行路由。
通常网络的协调器或路由器都含有一个邻接设备表，该表记录了一定区域内与其具有邻接关系的设备。
若想使用邻接表进行路由，只要目标设备在物理区域内可见，即可直接发送信息。
而对于网状拓扑结构，则要使用路由表来进行路由。
通常协调器或路由器都拥有自己的路由表，如果目标设备在路由表中有相关的记录，则信息就可以根据路由表中的记录进行发送，否则就要沿着树形拓扑来传输数据。
2.2.3最短最优路径的判定方式
通常路径请求与路径应答都是由路由器或协调器创建的，当路由器广播发送路径请求时，通常不会只发一次，而是间隔一段时间重复进行发送，而且对于广播寻址来说，它拥有两大特点：
一个是凡有无线RF收发使能的设备皆能接收到该帧；
另外就是广播发送采用一种被动应答模式，即当某一设备广播发送消息时，它还要监听所有的邻居设备是否对该帧进行广播转发，若没有则设备还要再次广播发送该帧。
这样就会出现网络中的设备可能多次收到同一个路径请求，目的设备也有可能在一段时间内多次收到同一个路径请求。
在路径算法的实现中采用首接为最优的思想，即第一个收到的有效路径请求即为目的设备要响应的请求，在该请求中记录的路径即为消息传输的路径，应答命令将沿着收到的第一个路径请求命令帧中记录的上一级地址发送回去。
图1.7无线传感器网络路由算法示意图
2.3 远程数据模式
远程数据传输需解决的问题主要是通信和接口问题，采用web的http通信协议作为webservices的基础通信协议，不仅成熟可靠的，而且总是最有效的。
而采用XML作为接口描述协议原因主要有：
a、文本特性容易标准化，因为文本格式具有跨平台的优良特性；
b、XML描述信息的能力强大，它的层次性描述能力，正是webservice所青睐的。
由于http和xml的特性，很容易让webservices在远程通过Internet网络建立起具有真正松散耦合特性的程序编程模型，松散耦合意味着机器与机器之间只要遵循一定的协议（重要的是这些协议是简单性的和通用性的，比如http和xml等），就可进行有效的调用，它给我们的直接效果是可以大大减少机器与机器之间的依赖性，这样就可让我们在远程范围内组建真正的基于构件块的远程服务平台，就象本地的com组件和网域的Dcom所试图追求的标准境界那样，而webservices则不仅做到了这样的境界，而且做得更好，因为它不仅是有效的，而且是简单的、开放的和低廉的。
WebService有强大的集成能力，所有的应用系统和设备都可以通过其标准来沟通、协调，并相互调用。
Webservice还可以建立新—代的分布式系统，在WebService可以封装好不同的服务提供者提供的服务，服务的核心本身可以使用WebService技术动态的调整和集成，这样的架构是非常适合于使用在Intenet和动态的环境中的。
另外，WebService架构还提供了最好的即插即用的解决方案，任何—个新的web服务或是现存的应用程序都可以方便的加入到WebService架构的系统中，为用户提供最好的远程监控服务。
图1.8WebService的结构原理
结论：
通过上面的分析，我们可以得出以下结论：
（1）采用DSSS直接序列扩频方式进行信号调制，可以极大的提高无线信号的抗干扰、抗噪声、抗衰减能力。
对于医药环境数据的采集和监控提供了最为可靠稳定的无线物理通道。
（2）无线传感器网络使用树簇算法与AODVjr算法相结合的路由算法，并自动进行最短最优路径的判定，大大提高无线网络的路由效率和可靠性，对于医药环境数据的采集和监控提高了可靠、便捷的无线网络通道。
（3）远程数据通信模式，基于WebService的HTTP和XML的独特优点，采用新一代的web分布式服务系统，在Internet网络环境中，提供最为快速、方便、可靠、稳定的远程数据服务平台。
因此，本医药远程监控系统针对于医药行业中监控环境错综复杂、地域分布广、运行维护成本高、安装部署难的特点，结合最新的无线传感器网络，ZIGBEE网络协议技术，分布式WebService通信技术进行创新性的研发，具有易实施，易维护，成本低，高可靠的优点。
为医药流通渠道的规范，环境质量的监管，行业性的统一管理，提供可靠、先进的远程监控系统，充分的保障了医药行业质量体系和药品安全性。
三、系统实现方案
3.1 系统方案介绍
本地采用无线传感器网络，无线布网，无线数据采集和监控，并通过网关传入计算机终端。
主要针对市场上对所需监测环境的特殊情况和产品自动化、智能化的需要，设计的建立在ZigBee技术平台上，综合运用环境监测技术、单片机技术和无线传感技术的一套新型无线远程温湿度监测系统。
系统由采集节点（图1.9）、网关（图2.0）两类设备组成。
以仓库为单位，进行无线传感器网络覆盖，通过强大的组网软件和网络平台以及无线网络收发终端，随时监测环境状态，并通过图形用户界面直观、动态地显示出来，提供远程监控管理功能（客户端Client或WEB浏览），此外通过网关对采集节点对环境温湿度数据进行判断分析，发现故障或参数异常，即时通过监控界面及声光警报形式响应。
采集节点是整个系统的数据采集模块，同时具备采集数据和路由传输功能。
采集功能：
它的传感器部分是采用低功耗的温湿度传感器SHT10，负责监测区内信息的采集和数据转换。
中心处理器部分采用CC2430芯片，兼顾数据获取，处理以及无线射频功能，它负责整个终端节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据。
CC2430和温湿度传感器SHT10之间采用I2C总线实现通信，通过I2C接口定时读出传感器采集的温湿度数据，并且将数据通过RF部分传至router，如有敏感数据（其定义可根据应用场所的实际需要来设定），则实时向网关传输。
JTAG接口是为了方便客户需要，同时能够快速地更新系统，而专门设置的在线烧录程序接口。
路由传输功能：
即网络中数据的通信协调功能，以及链路的建立与拆除。
其本身采集的温湿度数据上传到距离其最近的采集节点，这些节点自身选择距离网关最近的路径，经过多跳将数据上传到网关，再由网关发送到上位机（监控中心）进行监控。
网关主要负责通信的协调，路由的规划，路由表的记录。
作为网关把ZigBee网络中的数据和上位机系统的数据进行交换、与通信协调。
网关可选用RS485接口或者网口直接和上位机连接，将采集数据实时发送到监控中心的上位机数据库或终端软件中。
通过安全可靠的RS485工业总线联网，所有仓库温湿度数据都被实时传送到监控计算机上，管理员能实时查询/监控每一个仓库温湿度数据，并且可通过网络及时将告警信息发到监控中心，让环境监测和管理运筹于帷幄，决胜于千里。
网关设计中还有LCD屏显示功能，方便我们查阅和迅速了解环境状况，另外网关还设计有历史数据存储（SD卡存储）功能。
图1.9采集节点硬件结构图
图2.0网关硬件结构图
本无线环境监测系统在无线Zigbee技术平台上很好的实现了操作简单、无污染、智能化的监控系统。
具有系统成本低，安装部署简单，系统运行维护容易的特点。
系统采用无线传输、电池自供电，用户省去了数据线的架设安装、电源供电走线等繁琐复杂的工程实施，项目工程安装便捷快速。
无线传感器网络具有自组织、自愈能力强，通信可靠的特点，可以完全满足系统在各种环境下的运行要求。
下图为本地数据采集监控的系统运行结构图。
图2.1本地数据采集系统结构图
远程通过Internet网络，进行数据传输。
在计算机终端通过基于WebService的分布式系统软件，进行数据传输和系统管理。
所有数据传输到互联网监控中心服务器，再通过web服务器发布到因特网，远程用户可以通过广域网用网络浏览器进行访问和监控，系统结构如下图所示。
图2.2远程监控系统结构图
本医药监控系统采用无线传感器网络和因特网相结合的方式，具有全面、快速、可靠和灵活的特点。
对于医药行业环境监控，该系统可以克服传统有线方式的安装部署困难、造价成本高、项目实施性差的缺点，便于行业性的推广应用。
此外，同时对于下一代网络技术革命物联网模式也同样具有研究参考价值。
3.2 系统构成
本监控系统主要由采集节点、网关、计算机、监控软件、远程web服务系统构成。
采集节点主要进行温度和湿度等环境数据的实时采集，并通过无线传感器网络将数据传输到网关。
终端节点的传感器部分最重要的功能就是实时采集数据，而在采集几次或十几次后上传数据到网关，这一过程需要终端节点先将阶段采集数据存储起来。
当有紧急情况或意外出现时，终端节点需要及时将敏感数据传至监控中心，以使管理者及时做出处理！
本身节点还有电量自检功能，电压低于2.3V自动发出报警信号，提示监控中心更换电池，保证系统的不间断与稳定。
可根据客户的需要增加并完善系统功能，以满足不同客户的特殊需要。
采集节点性能技术指标如下：
1、湿度检测范围：
0～100%RH
湿度检测精度：
±
3%RH
温度检测范围：
-40～+123.8℃
温度检测精度：
0.5℃
2、工作频段：
2.4-2.475GHz
3、接收灵敏度：
－94dBm
4、信道数：
1-16
5、调制方式：
DSSS
6、数据传输速率：
250KBps
7、通信距离：
50m–70m
8、射频功率：
0dbm
9、发射电流：
约28mA接收电流：
约28mA休眠电流：
20uA以下
10、信道接入方式：
CSMA/CA
11、通讯协议：
标准IEEE802.15.4、ZigBee2006
12、网络拓扑结构：
网状、星状
13、数据加密：
128-bitAES
14、网络传输深度：
10跳
15、单个网络容量：
65536个节点
16、使用环境：
（1）环境温度：
-40℃-85℃；
（2）相对湿度：
不大于95%RH；
（3）大气压力:
80kPa～106kPa
图2.3温湿度无线采集节点
网关将接受到的无线传感器网络的数据进行处理转换，通过USB接口上传到计算机。
负责网络中数据的通信协调，路由以及链路建立与拆除，路由器长时间工作在高速状态，需要直流电长时间连续供电。
主要作为网络协调器（网关）和终端节点的中间链路。
网关功能设计如下：
（1）数据采集以及存储：
（2）数据判读/分析与处理：
（3）电量自检：
（4）状态自检：
（5）组网和数据传输：
检测路由模块和距离其最近范围内的检测节点组成单个ZigBee子网络（子监控区域），根据监控区域的规模可将其划分为多个子网络，即子监控区域，而这些路由检测模块再经过多跳传输，将温湿度数据上传到网关中。
网关性能技术指标如下：
湿度检测精度：
温度检测范围：
温度检测精度：
约28mA
15、单个网
升级会员 