基于物联网的智能仓储温湿度检测系统.docx
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基于物联网的智能仓储温湿度检测系统
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实践教学
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兰州理工大学
计算机与通信学院
2014年春季学期
物联网综合应用实践课程设计
题目：
基于物联网的智能仓储温湿度检测系统
专业班级：
姓名：
学号：
指导教师：
成绩：
摘要
仓储在物流战略中的重要性日益提高，在物流管理中占据着核心的地位，并己成为供应链管理的核心环节。
传统的仓储环境监测系统存在布线复杂，可靠性低，管理维护成本低等问题，因而将新的科学技术引入仓储系统中构建信息化、网络化、智能化的仓储环境监控系统具有重要意义。
针对现有仓库温湿度检测存在的问题,结合无线传感器网络技术,提出一种基于Zigbee技术的仓库温湿度采集系统设计方法。
设计采用CC2430射频芯片及SHT10数字温湿度传感器,在Zigbee协议栈的基础上进行应用开发。
阐述了系统的总体设计,节点的硬件设计和软件设计。
通过实验测试表明,该无线化的仓库温湿度采集系统能够稳定可靠的运行,并且具有组网简单、系统花费少、扩张网络容易等优点。
关键词：
仓储温湿度检测Zigbee无线传感网络
目录
摘要2
第一章前言3
1.1系统背景及意义3
1.2系统功能及特点4
第二章Zigbee技术简介4
2.1Zigbee综述4
2.2Zigbee协议栈与网络层简介5
第三章系统分析与设计8
3.1基本原理：
8
3.2系统方案比较与选择8
3.3系统整体设计9
总结19
致谢20
参考文献22
附录24
第一章前言
1.1系统背景及意义
温湿度的检测是纺织、食品、医药、仓储的重要参量，对温湿度监测具有广泛的应用领域。
随着仓库安全工作的要求越来越严格，仓库监测大量涌现，仓库监测的认知度和自动化体现的越来越先进。
防潮、防霉、防腐、防爆是食品日常存储工作的重要内容，是衡量食品储藏质量的重要指标，它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。
为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强物品温度与湿度的监测工作。
但传统的方法是用温度计与湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的食品进行通风、干燥等工作。
这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。
因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量控制仪。
1.2系统功能及特点
系统由终端节点、路由器以及网络协调器（网关）三类设备组成。
以仓库为单位，进行无线传感器网络覆盖，由终端节点将传感器数据采集并经过过路由器发送至网络协调器，数据进入上位机进行分析处理。
节点为自身独立采集子系统，可在节点上完成数据采集，数据存储以及数据显示功能。
该系统是以高效率、低成本、低功耗为原则，保证数据准确传输为基础完成的智能华无线传感器网络系统，适合于各种仓储仓库，楼宇以及家庭应用。
智能仓储监测系统拥有全面、可靠的环境信息采集分析能力。
为了实现环境信息监测的精确性、全面性并且方便使用，本文的环境监测系统应具有以下各种特点：
（1）低功耗。
在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6到24个月,甚至更长。
（2）低成本。
通过大幅简化协,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。
（3）低速率。
ZigBee工作在250kbps的通讯速率,满足低速率传输数据的应用需求。
（4）近距离。
传输范围一般介于10～100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到100m-1km。
这指的是相邻节点间的距离。
如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
（5）短时延。
ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。
（6）高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
（7）高安全。
ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码,以灵活确定其安全属性。
（8）免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz（全球）（ISM）频段。
第二章Zigbee技术简介
2.1Zigbee综述
Zigbee是针对小型设备的无线联网而制定的协议规范,拥有一套完整的协议层次结构,由IEEE802.15.4和Zigbee联盟共同制定完成。
其工作频段分别是868MHz、915MHz、2.4GHz3个频段,可以应用于不同的场合,诸如家庭自动化网络、工业控制网络、交互式玩具、远程检测等。
完整的ZigBee协议栈包括物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）。
ZigBee的应用层由应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象组成。
在Zigbee协议栈中,每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能,同时对上层提供服务,网络中的通信在对等的层次上进行。
Zigbee网络含三种类型的节点,即协调器、路由器和终端设备,其中协调器和路由器均为全功能设备（FFD）,而终端设备选用精简功能设备（RFD）。
一个ZigBee网络有且仅有一个协调器,该设备负责启动网络,配置网络成员地址,维护网络,维护节点的绑定关系表等,需要最多的存储空间和计算能力,它可以看作是一个PAN的网关节点。
路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能,终端设备则负责与实际的监控对象相连,实现具体功能的单元。
无线传感器网络中可以根据不同的需要组成星型、簇型网和网状型三种不同的网络拓扑结构。
星状网络由一个PAN协调器和多个终端设备组成。
只存在PAN协调器与终端设备的通信,终端设备间的通信都需通过PAN协调器的转发;树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成,设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外,其他只能通过树状路由完成消息传输;网状网络是树状网络基础上实现的,与树状网络不同的是,它允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连,由路由器中的路由表配合实现消息的网状路由。
一个ZigBee网络最多可含有65000多个子节点,通过无线网络数据从一个节点传送到另一个节点,最终传送到控制中心。
另外,它可以与其他的无线网络如GPRS和CDMA等兼容,也可以接入有线网络如Internt、Ethernet,实现远程监控。
Zigbee无线传感网络是就是Zigbee应用方案的经典应用。
无线传感网络是基于IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，该网络主要应用在压力过程控制数据采集、流量过程控制数据采集、温度湿度监控、楼宇自动化、工业控制、数据中心、社区安防、设备监控、环境数据监控、制冷监控、仓库货物监控等方面。
适用于蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，钢铁冶炼温度控制，煤气抄表等各个领域。
这种网络主要用于无线系统中短距离的连接，提供传感器网络接入，能够满足各种传感器的数据输出和输入控制的命令和信息的需求，实现系统网络化、无线化。
这种网络是低速率的无线传感网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，低功耗，适用于电池长期工作供电，可实现一点到多点，两点之间的对等通信，快速组网自动配置，自动恢复和高级电源管理，网络中任意个传感器之间可相互协调实现数据通信。
2.2Zigbee协议栈与网络层简介
ZigBee网络层必须提供功能，其的主要就是提供一些必要的函数，以保证IEEE802.15.4-2003ZigBee协议栈的MAC层能够正确操作，正常工作，并且为应用层提供一个合适的服务接口。
为了和应用层通信，必须向其提供接口，网络层的概念包括了两个必要的功能服务实体，提供必要的功能。
它们分别为数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）。
网络层数据实体（NLDE）通过网络层相关的数据库服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务，网络层管理实体（NLME）通过网络层相关的管理库服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务，网络层管理实体利用网络层数据实体来获得一些网络管理任务，并完成一些网络的管理工作。
并且，网络层管理实体还维护一个管理对象的数据库，叫做网络信息库（NIB），网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。
1、网络层数据实体（NLME）
网络层数据实体提供一个数据服务，同一个网络中，即在同一个内部个域网中的两个或者更多的设备之间传送数据时，允许一个应用程序将按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传送数据。
网络层数据实体提供如下服务：
① 生成网络级别的协议数据单元（网络层协议数据单元）PDU（NPDU）：
网络层数据实体（NLME）通过增加一个适当的协议头，从应用支持子层的协议数据单元PDU中生成网络层的协议数据单元（NPDU）。
② 指定拓扑传输路由：
网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可以是最终的目的通信设备，也可能是通信链路中到最终目的节点的下一个节点。
2、网络层管理实体
网络层管理实体提供网络管理服务，允许一个应用程序与堆栈相互作用。
并且网络层管理实体还维护一个叫做网络信息库（NIB）的管理对象的数据库。
网络层管理实体应该提供如下服务：
① 配置一个新的设备：
为所需的操作充分配置协议栈的功能。
为保证设备正常工作的需要，满足配置的需要，设备应该具有足够堆栈。
配置选项中包括对一个ZigBee协调器的操作，或加入一个已存在的网络。
② 开始一个网络：
建立一个新的网络功能，使之具有建立一个新网络的能力。
③ 加入、重新加入和离开一个网络：
实现加入、重新加入和离开一个网络的功能，以及为一个ZigBee协调器或者ZigBee路由器请求一个设备离开网络的能力。
具有连接或者断开一个网络的能力。
④ 寻址：
ZigBee协调器和ZigBee路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。
⑤ 邻居设备发现：
具有发现、记录和汇报有关单跳邻居设备信息的能力。
⑥ 路由发现：
具有发现和记录有效地传送信息的网络路由能力，即信息可以有效的传达。
⑦ 收控制：
具有控制设备接收机接收状态的能力，即控制何时接收者是激活的，以及接收激活时间的长短，从而使MAC层的同步或者直接接收等。
⑧路由：
具有使用不同路由机制的能力。
有单播、多播、广播等，使得路由能够在网络中高效率的交换数据。
3、网络层服务规范
网络层通过两种服务访问点（SPA）提供相应的两种服务，它们分别是网络层数据服务（NLDE）和网络层管理服务（NLME）。
网络层数据服务通过网络层数据实体服务接入点接入，网络层管理服务通过网络层管理实体服务接入点接入。
这两种分别服务通过MCPS-SAP和MLME-SAP接口为MAC层提供接口。
这些接口之外，在NLDE-SAP和NLME-SAP之间有一个隐藏的借口，允许NLME使用网络层的数据服务。
NWK层的组件以及接口如下图所示：
图1网络层参考模型
在移动Adhoc网络中，随着节点移动，网络拓扑结构在不断变化。
如何迅速准确地选择网络路由的问题，是移动Adhoc网络的一个重要核心的问题。
常规的距离向量算法DVA和链路状态算法LSA，不能满足AdHoc网络中的动态变化的网络拓扑结构；单向信道的存在；有限的无线传输带宽；无线移动终端的局限性等特点。
因此，自20世纪70年代美军DARPA资助的分组无线网络项目开展以来，国内外的许多研究人员从不同的角度提出了一系列的移动Adhoc网络路由协议。
这些协议必须处理好移动Adhoc网络的以上特点。
根据发现路由的驱动模式的不同，可将这些路由协议分为表驱动路由协议和按需路由协议。
表驱动路由协议又称为主动式（或先应式）的路由协议（ProactiveProtocols）。
是一种基于表格的路由协议。
该路由协议试图维护网络中各个节点到其余所有节点的最新路由信息，所有路由信息都保持一致。
这个路由协议中，每个节点都维护一张或多张表格，这些表格中包含到达网络中所有其他节点的路由信息表。
当检测到网络拓扑结构有变化发生时，节点在网络中发送更新消息。
收到更新消息的节点便更新自己的表格，以维护路由信息的一致、及时、准确。
拓扑更新消息在网络中传播的方式和需要存储的表的类型决定了不同的表驱动路由协议的区别。
表驱动路由协议根据变化更新路由表，不断的检测网络拓扑和链路质量的变化，所以路由表可以准确地反映网络的拓扑结构。
只要源节点发送报文，就能够立即取得到达目的节点的路由。
目前常见的有C.E,Perkins在1994年提出的DSDV路由协议、CGSR路由协议以及WRP路由协议等。
DSDV路由协议是一种无环路距离向路由协议，它是传统的BellmanFord路由协议的改进。
在DSDV中，每个移动节点都需要维护一个路由表，路由表表项其中包括目的节点、跳数和目的地序号，其中目的节点分配目的地序号，主要用于判别路由是否过时，并且能够防止路由环路的产生。
每个节点必须周期性的与邻节点交换路由信息，也可以根据路由表的改变来触发路由更新。
CGSR路由协议与DSDV类似，但是CGSR并不是一个大的平面网络。
CGSR分配指定了网关节点簇首节点和，其中网关节点是两个簇之间的节点，簇首节点用来控制一组节点和网关节点。
其中每个节点都必须有其簇成员的路由表。
因为，当一个节点要发送分组时，这个分组首先到达这个发送节点的簇首节点，然后簇首节点把该分组通过网关节点转发给另外一个簇首节点，不断重复这个过程直到分组到达目的节点。
WRP路由协议是另一种表驱动路由协议，在网络的节点中保存路由信息。
每个节点都在路由表中保存有如下信息：
距离、路由、链路开销和重传消息的列表。
重传消息的列表记录关于重传计数器、消息序列号、每一个邻节点正确应答所需的标识以及更新消息的更新列表等信息。
WRP的优点就是当一个节点试图执行路径计划算法时，可以通过目的节点的上游节点所保存的信息和邻节点所保存的信息来限制算法，使得算法收敛得更快并避免路由当中的环路。
由于WRP需要保存4个路由表，所以比大多数的协议需要更大的内存。
WRP还依赖于周期性的Hello消息，这也要占用带宽。
这类路由协议通常是通过修改常规的Internet路由协议以适应移动Adhoc网络环境，通过引入序列号机制解决了“路由环路”和“计数到无穷”的问题；通过采用“时问驱动”和“事件驱动”机制更新路由信息，尽量减少路由等控制信息对无线信道的占用，以提高系统效率。
在主动式路由协议中，由于每个节点需要实时地维护路由信息，这样在网络规模较大、拓扑变化较快的环境中，大量的拓扑更新消息会占用过多的信道资源，使得系统效率下降。
为此，1996年卡耐基梅隆大学的DavidB.Johnson在DSR协议中提出了一种新的路由选择原则：
按需路由协议。
按需路由协议又称为反应式路由协议（ReactiveProtocols）。
与主动式路由协议相比，它是一种被动式的路由协议。
在这类协议中，节点平时并不实时地维护网络路由，只有在节点有数据需要发送时，从激活路由发现机制寻找到达目的地的路由。
路山发现过程如图所示。
当节点1有数据要向节点8发送且无路由时，节点1启动路由发现过程：
1．节点1向邻居节点（节点2、3、4）发送路由请求消息；
2．中间节点转发路由请求消息直至目的节点8；
3．目的节点选择合适的路由返回路由响应消息，该消息中携带了从节点1到节点8的完整路由。
图2按需路由协议的路由发现过程
根据国际上目前研究的结果可知，在各种不同的情况下比较时，基于按需方式的路由算法要比基于表驱动方式的路由算法在性能上有着明显的优势。
另外，在负载较重的情况下，按需式的路由协议中AODV协议的性能最为理想。
第三章系统分析与设计
3.1基本原理：
温度传感器将被测点的温度采集后输出的模拟信号逐步送往放大电路、低通滤波器以及A/D转换器（即信号调理电路），然后再单片机的控制下将A/D转换器输出的数字信号传送到无线收发芯片中，并通过芯片的调制处理后由芯片内部的天线发送到上位机机监测软件上，在上位机模块上，发来的数据由单片机控制的无线收发芯片接收并解调，最后通过接口芯片发送到PC机中进行显示和处理。
温度传感器被用在终端节点上，当上电后，温度传感器就是能够获取环境中某个地方温度的敏感元器件，它可以将环境中的温度或者是与温度相关的参量信息转换成电信号，我们可以根据这些电信号的强弱来识别被测点在环境中的温度数据。
湿度传感器和温度传感器采集到数据后，通过给RS232串口增加无线传输功能，替代设备电缆线进行无线传输,无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。
要求设计的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加FLASH存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。
通过与其他通信技术（如GSM／GPRS）的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控串口传输设计为双向全双工，无硬件流控制，强制允许OTA（多条）时间和丢包重传。
3.2系统方案比较与选择
方案一：
使用目前已经非常成熟且广泛应用的蓝牙技术,能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。
利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。
蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM（即工业、科学、医学）频段。
其数据速率为1Mbps。
采用时分双工传输方案实现全双工传输。
方便快捷且不会遇到未知的技术难题.
方案二：
选择TI公司的2.4GHz片上系统解决方案CC2530，CC2530是用于IEEES02.15.4、Zigbee和RF4CE应用的一个片上系统解决方案，它能以较低的总成本建立强大的网络节点。
CC2530结合了先进的RF收发器性能，业界标准的增强型8051内核，使操作更容易，具备不同的运行模式，尤其适用于低功耗的系统需求。
通过对比以上两种方案开发的难易程度、开发周期和现有的实验环境我们选择方案二。
无线温度采集系统改变了传统有线的数据采集系统搭建布线困难，监测区域受限等诸多不足。
ZigBee这种新兴的短距离无线通信系统具有功耗少，性价比高，系统维护快捷方便，而且通过在传感器模块上添加FLASH存储设备，使得数据采集工作能够摆脱对监测过程网络辐射范围的限制，可应用到许多的场合更好的改善采集工作的便捷行。
通过与其他通信技术（如GSM／GPRS）的无缝接合，能够实现采集数据的远程传输，满足对数据采集区域的远程监控。
一般以ZigBee技术为核心的无线温度采集系统的工作过程为：
协调器节点首先应搭建网络，等待各自终端采集节点的入网请求；终端节点经过验证加入网络后，把温度传感器采集到的数据通过无线网络上传传输给协调器节点；协调器节点接收到数据包后，进行数据包解析，并通过串口将温度信息以及子节点地址等有效信息存储并显示在监控界面上。
3.3系统整体设计
无线传感器温度测量系统主要由单个ZigBee协调器、单部PC机和放置在各处的温度采集节点—ZigBee终端设备组成。
ZigBee协调器与各个终端节点形成了一个ZigBee星型网络。
整个无线温度采集系统的拓扑结构图如图1所示。
各处的温度采集节点—ZigBee终端设备组成。
CC2530芯片的有效通信半径为100m时，终端节点可以安置在以协调器为中心100m半径范围内。
终端数据采集节点的结构较为简化，仅由一个CC2530模块，Flash存储，2节1.5V电池和温度传感器组成，各个终端节点被初始化为无信标网络中的终端设备。
终端设备上电复位后，便启动搜索指定信道上的ZigBee协调器，并发送连接请求，终端设备在成功入网后，将被赋予一个16位短地址，在以后网络中的通信都以这个16位的短地址作为节点的标识；启动休眠定时器，间隔10秒钟唤醒一次，醒来后使用一种简单的非时隙CSMA-CA，通过竞争机制取得信道使用权，自己向协调器节点发送请求数据。
利用模块上的温度传感器模块检测环境温度，并上传给协调器节点，然后立即再次进入休眠状态，最大限度地减少能耗，延长终端节点电源续航时间，同时也可以延伸采集范围，即利用ZigBe网络的自组织性我们可以携带轻巧的终端数据采集节点到实际测量区域完成数据采集工作，如果超出了无线网络可以支持的传输范围，那可以将数据暂时存储在Flash存储器中。
网络中的协调器节点负责搜集各温度采集节点的信息，并将信息快速的通过RS232串口按事先定义好的格式上传PC机，随即解析并显示出来。
1总体设计框图如下：
图3.1无线温湿度采集系统框图
2.实验硬件实物图如下：
（1）1CC2530邮票孔节点模块
（2）无线节点模块
（3）温湿度采集模块
3.系统硬件说明
（1）SHT10说明
SHT10是一款高度集成的温度湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。
它采用专利的COMSens技术，确保了传感器具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。
传感器包括包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路进行连接。
图3.2应用电路
SH10引脚特性如下：
电源引脚
SHT10的供电电压为2.4~5.5V。
传感器上电后，要等待11ms以越过“休眠”状态。
在此期间无需发送任何指令。
电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。
串行接口（两线双向）
SHT10的串行接口，在传感器信号的读取及电源损耗方面，都做了优化处理；但与I2C接口不兼容.
串行时钟输入（SCK）
SCK用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
串行数据（DATA）
DATA三态门用于数据的读取。
DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态，并仅在SCK时钟上升沿有效。
数据传输期间，在SCK时钟高电平时，DATA必须保持稳定。
为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA在低电平。
需要一个外部的上拉电阻（例如：
10kΩ）将信号提拉至高电平（参见图2）。
上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。
串行时钟输入（SCK）
SCK用于微处理器与SHTxx之间的通讯同步。
由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。
测量时序（RH和T）
发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T）后，控制器要等待测量结束。
这个过程需要大约11/55/210ms，分别对应8/12/14bit测量。
确切的时间随内部晶振速度，最多有±15%变化。
SHTxx通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。
控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。
检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。
接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。
uC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。
所有的数据从MSB开始，右值有效（例如：
对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义）。
用CRC数据的确认位，表明通讯结束。
如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平
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