ZigBee在氣調(diào)冷藏庫(kù)應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)部署策略

1、 ZigBee在氣調(diào)冷藏庫(kù)應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)部署策略研究摘要：zigbee是一種易于實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，氣調(diào)冷藏庫(kù)是目前國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的果蔬保鮮設(shè)施，將基于zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于氣調(diào)冷藏技術(shù)中，可以大大提高果蔬貯藏質(zhì)量，并有效控制貯藏成本。根據(jù)zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署規(guī)劃的原則，結(jié)合氣調(diào)冷藏保鮮的要求，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化部署分析，研究了幾種zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署方案。關(guān)鍵詞：zigbee；氣調(diào)冷藏；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中國(guó)將氣調(diào)冷藏技術(shù)應(yīng)用到果蔬貯藏的歷史不長(zhǎng)，手段比較傳統(tǒng)，而且成本也較高，因此尋求一種有效的氣調(diào)冷藏控制模式成為我國(guó)氣調(diào)冷藏技術(shù)推廣的關(guān)鍵所在。zig

2、bee是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，成本低且可靠性高。根據(jù)zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湓瓌t及氣調(diào)冷藏庫(kù)的具體結(jié)構(gòu)，分析研究幾種不同的zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方案，提出面向氣調(diào)冷藏庫(kù)信息采集的zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨?。1氣調(diào)冷藏保鮮技術(shù)特點(diǎn)1.1氣調(diào)冷藏氣調(diào)冷藏庫(kù)作為世界上最先進(jìn)的果蔬貯藏保鮮設(shè)施，早在70年代就已在國(guó)外得到廣泛應(yīng)用。所謂氣調(diào)冷藏，是指在相對(duì)密閉的貯藏環(huán)境中，人工調(diào)節(jié)o2、co2、n2等氣體的含量，達(dá)到適宜的分配比，并精確控制庫(kù)內(nèi)溫度與濕度的貯藏方式。氣調(diào)貯藏能夠有效限制果蔬的呼吸強(qiáng)度，延緩其衰老和變質(zhì)，貯藏效果非常好2。1.2氣調(diào)冷藏的優(yōu)勢(shì)1.2.1貯藏時(shí)間

3、長(zhǎng)氣調(diào)冷藏庫(kù)內(nèi)的溫濕度和氣體成分被精確控制，從而在很大程度上抑制水果的呼吸作用，延緩果實(shí)的新陳代謝，一般比普通冷藏庫(kù)長(zhǎng)0.51倍。1.2.2保鮮質(zhì)量高水果在氣調(diào)冷藏庫(kù)內(nèi)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期貯藏后，仍然顏色鮮艷，果肉鮮美，保鮮質(zhì)量高。同時(shí)氣調(diào)冷藏對(duì)果蔬的蒸騰及微生物的繁殖有很好的抑制作用，使果蔬貯藏期間因失水、腐爛等造成的損耗大大降低。1.2.3果蔬出庫(kù)后貨架期長(zhǎng)果蔬長(zhǎng)期處于氣調(diào)貯藏環(huán)境中，受生物體的“滯后效應(yīng)”影響，出庫(kù)后仍保持一段時(shí)間的低呼吸狀態(tài)，有效延長(zhǎng)出庫(kù)后的存放時(shí)間。實(shí)驗(yàn)證明在保持相同質(zhì)量的前提下，氣調(diào)貯藏的貨架期是普通冷藏庫(kù)的34倍，便于果蔬的長(zhǎng)途運(yùn)輸。1.2.4無(wú)污染氣調(diào)冷藏庫(kù)是通過(guò)低氧環(huán)境來(lái)

4、抑制果蔬呼吸和病霉菌的生長(zhǎng)，無(wú)需通過(guò)化學(xué)藥物或生物制劑進(jìn)行防腐處理，衛(wèi)生、安全、可靠性高。2zigbee技術(shù)原理及特點(diǎn)2.1zigbee技術(shù)原理zigbee是一種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范，能夠在數(shù)以千計(jì)的小型傳感器節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)相互通信，信息的傳輸只需要很低的功耗，通信效率非常高。zigbee主要用于近距離無(wú)線連接，可進(jìn)行自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制，能夠非常好地支持無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。zigbee節(jié)點(diǎn)按功能可分為全功能節(jié)點(diǎn)（ffd）和精簡(jiǎn)節(jié)點(diǎn)（rfd），按網(wǎng)絡(luò)角色可分為中心節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）、路由節(jié)點(diǎn)（中繼器）和終端節(jié)點(diǎn)。ffd支持任何類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并能與任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通話，提供信息雙向傳輸，可作為協(xié)調(diào)器、中繼器或終端

5、節(jié)點(diǎn)使用；rfd只支持星形結(jié)構(gòu)，可與協(xié)調(diào)器、路由器通話，不能與終端節(jié)點(diǎn)通話，只能作為終端節(jié)點(diǎn)使用。rfd的優(yōu)勢(shì)在于精簡(jiǎn)內(nèi)存和其他電路，降低了系統(tǒng)成本，提高電池壽命。一個(gè)典型的zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。2.2zigbee技術(shù)特點(diǎn)2.2.1功耗低zigbee工作在20250 kb/s的較低速率，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用需求，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率僅需1 mw，同時(shí)zigbee采取了休眠模式，因此功耗非常低。2.2.2成本低zigbee通過(guò)簡(jiǎn)化協(xié)議，降低對(duì)通信控制器的要求，使其模塊的初始成本不到藍(lán)牙的1/10，并且zigbee是免協(xié)議專利費(fèi)的。低成本使得zigbee技術(shù)得到廣

6、泛應(yīng)用。2.2.3時(shí)延短zigbee的響應(yīng)速度非?？?，一般情況下，節(jié)點(diǎn)連入網(wǎng)絡(luò)需30 ms，從睡眠狀態(tài)激活只需15 ms，活動(dòng)設(shè)備接入信道只需15 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。2.2.4容量大一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可以管理主節(jié)點(diǎn)，使得一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)最多容納65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活。2.2.5可靠性高zigbee采取了碰撞避免機(jī)制，避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。在phy層采用了直接序列擴(kuò)頻和頻率捷變技術(shù)，因此抗干擾和多徑的能力更強(qiáng)；在mac層采用了自動(dòng)請(qǐng)求重傳以及幀緩存，當(dāng)傳輸一幀時(shí)，如果接收端暫時(shí)不能接收，那么暫時(shí)緩存

7、該幀，直到接收成功；在網(wǎng)絡(luò)層允許冗余路徑，支持網(wǎng)狀路由，保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。2.2.6安全度高zigbee提供了三級(jí)安全模式：無(wú)安全設(shè)定、接入控制表（acl）和128比特aes（高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)）。這樣，可以綜合考慮功耗、系統(tǒng)處理能力、成本和應(yīng)用環(huán)境等方面因素靈活地采取適當(dāng)?shù)陌踩?jí)別3。3zigbee在氣調(diào)冷藏庫(kù)應(yīng)用中的節(jié)點(diǎn)部署策略將zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在氣調(diào)冷藏庫(kù)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度、溫度和o2、co2、n2濃度等量的精確測(cè)量，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)部署需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)、覆蓋范圍和響應(yīng)時(shí)間。隨機(jī)部署是最簡(jiǎn)單的一種節(jié)點(diǎn)部署方式，但可能會(huì)帶來(lái)性能與需求不匹配,造成資源浪費(fèi)

8、等問(wèn)題，而根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行高質(zhì)量的節(jié)點(diǎn)部署才能更好地實(shí)現(xiàn)和體現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身的智能性。ieee802.15.4協(xié)議明確了節(jié)點(diǎn)部署的3種標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形、樹(shù)形和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。結(jié)合氣調(diào)冷藏庫(kù)的具體工作狀態(tài)，其庫(kù)內(nèi)大空間部分被果蔬填滿，氣流通過(guò)間隙流通，受阻嚴(yán)重，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)部署時(shí)也應(yīng)充分考慮環(huán)境的影響。首先節(jié)點(diǎn)間距不宜太大，否則測(cè)量值會(huì)產(chǎn)生很大偏差，而且響應(yīng)時(shí)間也不宜太大，否則應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)不了。這就需要為不同特點(diǎn)的氣調(diào)冷藏庫(kù)設(shè)計(jì)不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)不同應(yīng)用環(huán)境下進(jìn)行信息采集的節(jié)點(diǎn)部署策略4。3.1節(jié)點(diǎn)的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)zigbee節(jié)點(diǎn)的線性網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所有的節(jié)點(diǎn)布置在一條直線上或接近一條

9、直線上，適合在細(xì)長(zhǎng)形狀的氣調(diào)冷藏庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集。中心節(jié)點(diǎn)的部署影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性和時(shí)延，應(yīng)綜合考慮可能因素確定其放置位置，對(duì)于線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，在直線的中點(diǎn)位置設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)；路由節(jié)點(diǎn)對(duì)于縮短數(shù)據(jù)傳輸距離、提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量具有顯著作用，考慮節(jié)點(diǎn)本身和附近節(jié)點(diǎn)的能耗，每隔一定距離選擇一個(gè)ffd作為路由節(jié)點(diǎn)；終端節(jié)點(diǎn)的部署位置以及部署密度對(duì)于測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性影響極大，考慮氣調(diào)冷藏庫(kù)內(nèi)的具體環(huán)境，以大約1520 m間隔選擇rfd設(shè)置一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。全部的網(wǎng)絡(luò)有多條路徑可以選擇，用于完成發(fā)送數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的功能，盡量保證不丟失數(shù)據(jù)。3.2節(jié)點(diǎn)的平面結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較

10、為復(fù)雜，可以應(yīng)用于大型的正方形或矩形的氣調(diào)冷藏庫(kù)中。以方形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)為例，如圖2所示，作簡(jiǎn)要分析。中心節(jié)點(diǎn)的部署除了考慮網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能性和時(shí)延之外，還要考慮平面結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性，在正方形網(wǎng)絡(luò)的中心位置設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)比較合理；路由節(jié)點(diǎn)在線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)之上同時(shí)考慮提高線路的連通性和容錯(cuò)性，在大致均勻的平面空間選擇合適的位置設(shè)置若干個(gè)ffd作為路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)功能；終端節(jié)點(diǎn)的部署仍然主要考慮部署位置以及密度對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響，綜合氣調(diào)冷藏庫(kù)內(nèi)的具體環(huán)境，以前后左右間隔均為1520 m選擇rfd設(shè)置zigbee終端節(jié)點(diǎn)，所有的節(jié)點(diǎn)均勻分布在平面空間內(nèi)。節(jié)點(diǎn)的平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)路徑更多，盡可能地

11、將所有測(cè)量結(jié)果全部傳輸給pc機(jī)，進(jìn)行下一步的數(shù)據(jù)處理。3.3節(jié)點(diǎn)的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，適合應(yīng)用在超大規(guī)模的氣調(diào)冷藏庫(kù)中。以雙層立體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)為例，如圖3所示，作簡(jiǎn)單分析。其中每個(gè)平面可以看作平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩組垂直分布的平面網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組成。中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在立體網(wǎng)絡(luò)的中心位置；根據(jù)氣調(diào)庫(kù)的規(guī)模恰當(dāng)?shù)倪x擇ffd作為路由節(jié)點(diǎn)；相鄰節(jié)點(diǎn)間隔選擇為15 m左右，所有的節(jié)點(diǎn)均勻分布在立體空間網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，終端節(jié)點(diǎn)使用rfd，可降低成本。全部的網(wǎng)絡(luò)可以選擇的路徑非常多，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)和發(fā)送。除此之外，根據(jù)氣調(diào)冷藏庫(kù)的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和儲(chǔ)存果蔬的具體要求，可選擇上述線性的、平面的和立體空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活組合，構(gòu)成混合型節(jié)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。4結(jié)束語(yǔ)根據(jù)氣調(diào)冷藏庫(kù)的現(xiàn)場(chǎng)具體使用要求確定合適的節(jié)點(diǎn)部署方案，采用靈活組網(wǎng)的方式來(lái)構(gòu)架拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可有效提高果蔬的貯藏質(zhì)量，還可利用zigbee的功耗小、成本低等優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步降低果蔬的貯藏成本。參考文獻(xiàn)：1邴