我国是放射性同位素生产和使用大国，随着市场经济的发展和各个领域的进一步开放，放射源已经广泛应用于工业、农业、医学、资源、环境、军事、科学研究等领域。放射源在给我们带来巨大技术进步与经济效益的同时，其辐射安全与放射性污染等问题也越来越突出。
近年来，放射源丢失、被盗等事故时有发生；一些用源单位不按国家规定，违规超标使用或私自转移放射源，造成较大的安全隐患。放射源的安全使用和科学监管已成为当前环保工作的难点和重点。
近几年发达国家对环境辐射连续监测的投入有明显加强，如美国EML实验室的SASP监测网现在已发展成全监测网（GNS），在世界各地都建有自动监测站，包括南极洲；法国的“Teleray”现在也已实现欧洲联网。
丹麦、爱沙尼亚、芬兰、德国、冰岛、拉托维亚、立陶宛、挪威、波兰、俄罗斯联邦，瑞典也设置自动X-γ控制监测站，自动X-γ监测站数量分别为11、11、298、2150、1、16、14、22、20、152、37个。
目前，就辐射环境自动监测的发展的趋势，国际上主要体现了如下趋势：(1)辐射环境监测是基础；(2)射性污染监测是监测网的核心内容；(3)监测站的设立将采用商请与申请相结合，更动态、更灵活、更有效；(4)X-γ辐射剂量率自动测量、数据实时传输和电子发布将被广泛采用；(5)大流量空气样品采样+在线X-γ能谱分析+实时X-γ能谱分析+无线或有线传输将被广泛采用；(6)分散采样、集中分析的分工原则将被普遍采用（各监测站平时只负责样品采集、寄送、实时剂量率测量和传输以及与反恐监测有关的监测，其余分析由分析中心负责）；(7)在常规分析计划中将会引入筛选测量程序和启动核素分析的具体启动水平，并制定统一的启动湮没无闻；(8)就地能谱测量技术（Insitu）将更受重视；(9)数据发布将突出公开性和时效性，电子数据、网上发布的方式将被普遍采用；(10)全程QA/QC计划将被普遍实施，特别是过去注意不够的监测的前、后环节（即采样和数据处理、评价环节）的质量保证。
在放射源场所及其它核环境部署快速有效、可靠、先进的环境监测技术和手段,可以起到辐射防护的目的，为发现核事故并及时采取防护措施提供保障能力。目前我国对放射源环境的监测,多是基于有线网络的监测系统或者预先架设的无线网络系统,运营成本往往较高,用于通讯的建设费用占总成本50%以上,而且运行费用较大。对放射源环境连续监测应用研究，加强放射源管理，使其更加科学化、规范化，对预防和减少辐射污染事故危害，有效控制辐射污染事件的发生，起到切实保障放射源的安全使用。
本文提出采用ZigBee无线网络技术实现连续监测数据采集，利用ZigBee无线网络技术低成本、省电、安全、可靠等特点，不必架设网络线，将监控系统的终端设备密封在一个密闭容器内，安装好天线，置于放射源工作场所合适的地点，一个终端监测网点便可建成，通过以太网等网络实现与管理部门监控中心的连接，实现对放射源工作场所及周围环境的连续性监测。
1 ZigBee数传技术概述
ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词，它是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。在整个网络范围内，每个ZigBee无线模块网络节点本身可以作为监控对象，对其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，同时每个ZigBee无线模块网络节点之间可以相互通信，自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
作为一种无线通信技术，ZigBee数传模块具有如下特点：
(1)功率消耗低：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6-24个月，甚至更长，这是ZigBee无线模块的突出优势。
(2)建设成本低：通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），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，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费。
(3)通讯速率低：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)响应时延短：ZigBee数传的响应速度较快，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，相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。
(5)容量高：ZigBee数传模块可采用星状、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。
6)安全度高：ZigBee数传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。
(7)近距离传输：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1-3km。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。
(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)频段。
一般而言，随着通信距离增大，设备复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有各种无线通信技术，ZigBee数传技术是最低功耗和最低成本的技术。
2 放射源监控系统的网络架构
在放射源工作场所的周围环境设置若干监测点，依据ZigBee模块的传输距离，各监控点间距在70m内。为验证放射源工作场所周围环境排放是否满足排放限值的要求，连续监测系统的布点应以实际的监测经验而定，达到兼顾事故的应急监测需要，为采取应急防护行动提供技术支持。放射源监测主要考虑放射源工作人员的工作场所，有效保护工作人员的生命安全和核事故的发生，提高监测数据的可靠性和监测点的覆盖面。
星型结构、网状结构和簇状结构是基于ZigBee数传技术的三种主要自组织无线网络类型。通常在监控区域较小时，使用星型网络可组成一个包含中心站点和计算机监控中心的ZigBee无线模块网络。本文放射源连续监测系统的监控区域的工作场所分布在不同的方位，为了提高数据传输的可靠性，放射源监控系统采用网状网络。在一个半径约70m的范围内设置一个传输中继站点进行数据上传下送，ZigBee数据采集点之间可以互相通信，将所有的传输中继站点组成一个蜂窝网状网络，再与设置于管理中心的ZigBee中心站点连接，构成一个完整的ZigBee数据采集无线网络（见图1）。
图1 放射源无线监测网络系统示意图
在整个无线网络中各部分的功能为：
1)监控场所：具有数据采集、存储，接收指令和发送数据的功能。对监测到的数据进行计量、存储，或者接收上级节点发送的指令，按照指令要求完成相应的操作。
2)传输中继站：具有数据上传下送、存储转发的功能。
将监控中心的ZigBee中心站点发出的命令转发给各监控场所，同时接收各监控场在指令下所监测到的返回数据，并转发给中心站点。除此每个传输中继站点还可以连接一个终端探测器。
3)中心站点：具有建立、协调、配置整个网络的功能。
可定期向传输中继站发送数据采集请求、接收数据、并将数据上传至计算机监控中心，通过Internet等网络与管理部门监控中心的互联，满足对放射源工作场所周围环境的连续性监测的需要。
3 放射源场所监测点设计
各终端监测点采用灵敏度高、稳定可靠的无线射频辐射探测器。鉴于方便应用的需要，目前市场上的ZigBee模块多集成微控制器，本系统终端监测点采用ARM926EJ-S处理器，集成探测器、ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。
探测器采用盖革-弥勒计数管（GM管）来测定辐射强度，高压产生电路为GM管提供高压，使得GM管可以工作。当射线通过该GM管并引起电离时便使该GM管产生电流脉冲，脉冲经整形电路、分频电路后变成边缘陡峭的方波，送到单片机的定时器做计数，并换算成剂量率。当环境X-γ辐射在线探测器接到主机发来的查询命令后，便把剂量率数值通过Zigbee无线模块返回给主机，探头电源通过直流电源得到。工作示意图参见图2。
图2 放射源场所终端监控示意图
4 传输中继站及中心站点的设计
本文放射源连续监测系统的ZigBee传输中继站，数据量较大，系统功能较为复杂，我们采用ARM946E-S处理器。传输中继站将位于监控中心的中心站点发出的指令转发给各终端监测站点，再将各终端监测站点的监测数据上传至中心站点。各中继站点又组成网状网络，使得整个ZigBee数传网络更有延伸性，增大了网络的覆盖范围。各中继站点也带有无线射频辐射探测器，使其自身也作为监测网络中的一员。工作示意图见图3。
图3 ZigBee 传输中继站示意图
ZigBee中心站点负责启动、配置、协调整个ZigBee无线监测网络以及网络间的数据传输。中心站点把数据上传到计算机监控中心，然后通过Internet等网络实现与管理部门监控中心的互联。作为整个监控网络的心脏部件，本系统设计中采用片上资源丰富的ARM968E-S理器，利用其丰富的片上资源和强大的数据处理能力，组建成一个稳定可靠的基于本中心站点的ZigBee网络。
工作示意图见图4。
图4 ZigBee 中心站点示意图
5 无线射频辐射终端监控系统设计
在整个监控系统的控制中，通过数据处理系统实现对ZigBee所数据采集的剂量数据的综合分析处理。该数据处理系统实质上是一个数据库的采集和处理系统。整个数据处理系统可分为监测数据库模块、数据处理模块和显示模块。
1)监测数据库模块，主要通过探测器将监测到的剂量数据传输到驱动接口中，再由程序调用驱动接口将数字化信号监测数据转换为可识别的字符串数据，最后保存在监测数据库中。
2)数据处理模块，主要将数字化信号转换为可识别的字符串数据，并且根据阈值对数据进行逻辑处理和数据修正，最后对字符串的监测数据根据Modbus通讯协议进行封装，通过ZigBee无线网络在各传输点进行数据传输[7]。
3)显示模块，主要将实时监测到的剂量数据的情况显示出来。当每一监测点的辐射程度达到或超过该阈值时，以不同的色彩进行显示，系统会自动以声、色等形式进行报警，能根据监测结果确定监测区域的C辐射分布情况，也能够以不同颜色对不同辐射程度地域进行区别显示。
6 总结
综上所述，本系统具备放射源连续监测系统设计的相关原则，即实用性、可靠性、可维护性、先进性、经济型、扩充性等。无线射频辐射探测器和放射源监控终端中集成的Zigbee无线模块，解决了复杂场所放射源区域剂量监控布线的难题，实现了ZigBee数据采集，为数据传输提供了保障；放射源监控终端三级网状网络结构的设计，有利于分布在各地的多个放射源做到集中监管；放射源监控终端中集成的辐射剂量探测模块，有利于单个放射源的场所单独使用。使得本系统应用更方便，成本更低廉，网络可靠性更高，具备很好的实用性与经济性，将成为放射源工作场所周围环境连续监测系统的优选方案。
目前，物联网(IOT)技术在世界范围内受到广泛关注，对此各国都投入大量的人力物力，掀起了继计算机、互联网之后第三次信息产业浪潮。美国、中国、欧洲各国、日本、韩国等都对IOT技术进行了大量研究，实施了很多研究计划。随着经济的快速发展，工厂和物流库房数量大幅度增加，且储存货物的种类及规模也日益增大。这给仓库环境监测与物品安全管理提出了更高要求。
在这样的背景下，国内外的专家和学者开展了基于IOT技术的仓库管理系统研究。目前，物联网技术只是应用于仓库管理方面，尽管仓库的环境检测能够实现实时、有效的监控，但系统还远远没有达到智能化的要求，特别是在报警手段和问题处理上主要依赖于人工。因此，直接、准确、高效的仓库智能监控预警并及时处理所产生的问题就成为一个急需解决的工程应用问题。
1系统组成及功能
智能仓库监控系统的设计包括无线传感网系统、智能监控系统、事件处理系统三个部分，共同构成了IOT的感知层、传输层和处理层。无线传感网系统包含IOT的感知层和传输层。感知层基于Zigbee数据采集传感器技术而设计，由分布于仓库中多种传感器构成，用以采集仓库中的温度、湿度等环境参数。传输层基于Zigbee数传技术而设计，由Zigbee终端节点、Zigbee路由节点以及Zigbee协调器节点构成的Zigbee无线模块传输网络。Zigbee数据采集传感器采集到的仓库温度、湿度等环境数据经Zigbee数传传输层传输到智能监控系统。智能监控系统和事件处理系统共同构成了IOT的处理层。智能监控系统是一个管理中心计算机，将监测的数据存人数据库中，并实时对采集到的数据进行智能的分析和处理；根据采集到的数据决定是否通知事件处理系统对当前发生的问题经行处理。事件处理系统在CIT技术基础上设计的，它是智能监控系统命令的执行者，根据智能监控系统的命令通过电信网关自动通知仓库相关管理人员告知仓库发生火灾，经其确认后开启仓库灭火系统进行灭火，并自动拨打119报火警。系统方案结构框图如图1所示。
图1 系统整体框图
2系统硬件设计
系统硬件包括传感器、ZigBee无线模块节点和电信网关。
2．1传感器
基于智能系统所要实现的功用，本系统传感器包括环境监测传感器和火灾报警传感器。对于库房的环境而言，首先需要关注的温度和湿度这两个参数，因此环境监测传感器设计为温湿度传感器。按照精度高、低功耗的设计原则，温湿度传感器采用SHTl0型号温湿度传感器。SHTl0是一个高度集成的芯片，它将温度感测、湿度感测、信号变换和A／D转换等功能集成到一个芯片上。其主要特点是高精度(测湿精度±3．5％，测温精度±0．50℃)、高可靠性、超低功耗。温度测量范围：一40～123．80℃。接口电路如图2所示。
图2 SHT10温度传感器接口电路
该传感器仅仅使用一根线路与Zigbee数据采集终端节点上微处理器的IO端口相连，即可获得精确的温、湿度环境数据，实用性极强。为了保证报警的精确度，本系统火灾报警传感器设计为两种传感器：火焰传感器和烟雾传感器。火焰传感器采用R2868火焰传感器，烟雾传感器采用HIS-07离子烟雾传感器。R2868火焰传感器在火星产生瞬问能够准确地发现，它可以探测185到260个不同的狭窄光谱敏感源。它具有很小的体积和很宽敏感角度，并能快速准确地发现从火焰被发出的弱紫外线。HIS一07离子式烟雾传感器性能远优于气敏电阻类传感器，对微小烟雾粒子的感应更灵敏，对各种烟响应均衡，报警响应时问短，且该传感器体积小，便于安装。
2．2 Zigbee数传节点及网络拓扑结构
Zigbee数传节点负责检测和传递传感器采集数据的任务。该系统采用了典型的Zigbee无线模块传感器节点的结构。Zigbee无线模块节点的设计为芯片CC2530。该芯片为工业级，具有高可靠性、高灵敏度、适应环境能力强等优点。协调器和路由器采用外供电方式。终端节点根据用途、要求传输的距离(通信范围)与减低功耗的要求，均采用低功率模块使用纽扣电池供电。无线传感器网络是由协调器、路由器和终端节点组成的，为了适应仓库环境的多种变化和位置繁多与实用高效的特点，本系统采用树形网络拓扑结构。
2．3电信网网关
电信网网关的设计使用了计算机电信集成(CTI)技术，采用程控交换专用芯片。电信网网关主要由模拟中继接口芯片MY8632TS、DTMF信号收发器MT8888组成，其电路图如图3所示。其原理是MT8888是具有呼叫进程滤波的单片DTMF收发器，采用CMOS技术，功耗小而可靠性高。接收信号部分以标准DTMF接收器为标准，而DTMF发送器使用开关电容D／A变换器产生低失真和高精度的16种DTMF双音频信号，用内部计数器控制突发模式，因此音信号能以精确的定时突发传送。MY8632TS为电话接口芯片，MT8632TS可将25 Hz、75 Vrms的铃流转换为计算机能够识别的TTL电平的信号，也具有摘、挂机功能，并可执行2／4线转换功能，便于连接声卡的入、出口。上述两个主芯片的功能使得电信网网关能够接收管理中心的上位机发出的信息，根据解读信息的结果，发出指令，控制硬件进行电信网相应的呼叫操作。
图3 电信网关硬件电路
3系统软件设计
管理中心计算机软件通过串口和接协调器收端节点连接。接收并显示所采集的仓库环境数据存人数据库中。为了系统的灵活方便，使用Access单机数据库系统。管理中心计算机与温湿度控制器和灭火控制器相连，可以对仓库的相应位置进行控制温湿度变化和消防灭火。管理中心计算机软件通过电信网网关同电信网相连接，可以通过电信网发起提醒和报警呼叫。中心管理机软件主要是负责将仓库每天的环境数据记录到数据库中进行智能处理，并以图形和数字的方式显示以便查看。温湿度信息随上报的数据实时变化，此外还设置有烟雾、火焰两个报警灯显示。当某个节点环境检测数据达到提醒阈值或火焰、烟雾传感器有一个监测到火情时，智能仓库监控系统应用程序自动向温湿度控制器发出控制信号，对仓库某部分环境进行温湿度控制调节。并同时通过电信网语音卡的软件，自动拨打相关仓库管理人员的手机，用电信网将相关节点物品的告警信息以语音的方式通知相关仓库管理人员。但只有当某个节点火焰、烟雾传感器同时监测到火情时，智能仓库监控系统应用程序自动向灭火控制器发出控制信号，对仓库某部分环境进行防灾灭火操作。并同时通过电信网语音卡的软件，自动拨打相关仓库管理人员的手机，用电信网将相关节点物品的火灾信息以语音的方式通知仓库管理人员。告知仓库管理人员，仓库发生火灾已经智能灭火，可根据实际情况看是否需要报火警，请消防队处理。以使灾害得到及时处理，减少仓库财产损失，而又避免误报火情。
4实验结果
本系统经仓库实地测试结果表明：系统硬件设备工作可靠，软件系统运行稳定。具体的结果：(1)系统对库房环境参数检测时效性良好，温度的绝对误差小于0.5℃C，湿度的绝对误差小于3％；(2)系统具有较强的库房火灾监控性能，火焰传感器在烟头距离为4m时报警；而烟雾传感器在香烟距离2m时开始报警；系统的报警延时为6秒；(3)系统表现出自动环境调控性能，在实验中当温湿度超过阈值时系统给空调和加湿器发出信号，空调和加湿器均能启动和停止。由于实验的房问较大，空调的功率较小并且加湿器只有一台，因此系统调控能力有限。考虑到我们主要是测试系统的调试功能，因此这已经足够了；(4)数据缓冲区的容量影响收发数据的质量。另外，由于库房内没有灭火系统，因此系统的自动灭火性能没有测试。
5结论
本文基于物联网技术开发了一套智能仓库环境监控系统。该系统把物联网技术与电信网技术、自动控制技术相结合，充分利用网络资源，可以直接、准确、高效、可靠的对仓库内的温、湿度进行智能监控，在发生火灾时能及时灭火和报警。实验测试结果表明：系统运行稳定、可靠，控制灵活、准确，有较强的通用性。
0 引言
上世纪80 年代发达国家率先提出智能化住宅概念，智能化住宅对家居智能系统的发展起很大促进作用，同时家居信息采集作为住宅智能化起核心作用的一部分，推动着智能化家居的发展。家居信息采集系统预定完成的目标是让使用家庭更方便、更舒适、更安全，同时也符合环境保护的标准。
上世纪90 年代我国首次提出家居信息采集设计思想，同时发展迅速。
小区智能化的定义为：利用计算机、通讯网络、自动化技术和射频卡技术，通过高效的信号传输网络，将多元化信息和管理服务、物业管理与安防技术集成，为小区的服务和管理提升到智能化阶段，以实现快速、方便的服务。
本设计中利用Zigbee数传技术和以太网技术实现了对远程家居信息的采集，同时利用以太网技术将采集到的数据信息通过以太网模块实现网络监控数据实时更新。
1 硬件电路及软件代码设计
本设计所完成的功能需要两块硬件电路：Zigbee无线模块和串口转以太网模块。
由于TI 公司在设计Zigbee 芯片时有较完善的Zigbee外围硬件电路设计方案，所以本文采用TI公司原始的设计方案并根据需要作适当的修改。串口转以太网模块是针对数据显示方面的具体应用，实现RS232 通信协议和以太网通信协议间的转换。
Zigbee无线模块功能是Zigbee数据采集节点采集到的温湿度数据和烟雾数据通过Zigbee 通信协议发送到Zigbee 协调器节点，然后通过RS232 串口通信协议传输到串口转以太网模块。
串口转以太网模块功能是当串口接收到Zigbee协调器节点传来的数据包时，通过微控制器移植的uIP协议栈进行处理，并将处理后的IP 数据包通过远程DMA 操作写入以太网控制芯片，并由以太网控制芯片处理发送。
采用的CC2530 Zigbee 无线模块是TI 公司基于CC2530芯片设计的一款Zigbee数传射频芯片。串口转以太网模块结构图如图1 所示。
图1 串口转以太网模块结构图
单片机选用STC公司的STC12C5A60S2 系列，其具有高速、高可靠、低功耗、低价格等优点。由于单片机内部的RAM不能够满足对数据存储的需求，因此设计添加一个32K 的RAM，选取62256 芯片。
与以太网的接口芯片采用RealTek公司的RTL8019 系列网络芯片。
设计中RTL8019 主要实现底层协议DLC、MAC并提供网络接口，51 内核单片机实现嵌入式的TCP/IP协议栈部分功能和具体应用，电源模块采用USB供电模块，通信电路采用RS232 串行接口，网络接口使用RJ45。
RTL8019 是10M 网卡芯片，属于NE2000 以太网驱动系列，因此程序设计思路完全符合NE2000 系列。
RTL8019 有三种工作方式，即跳线方式、免跳线方式、即插即用方式。
1.1 Zigbee模块传感器选择
温度传感器采用DS18B20，它采取单总线协议，经一个IO口进行读写操作以获取温度数据。湿度传感器采用湿敏电阻。但分立的采用两个传感器不利于资源整合和节能需求，因此设计中采用了温湿度一体的传感器芯片DHT11。
DHT11 传感器是一个专用的数字式温湿度传感器。其采用电阻元件感应湿度，获取湿度数据；利用一个NTC测温元件感知温度数据，温度测量范围为-40°C~120°C。同时，传感器提供了8/12bits 的相对湿度分辨率和12/14bits 的温度分辨率，在开启补偿模式下，湿度测量精度能够达到3，温度可以达到0.4°C。测量精度符合设计要求。
设计中采用了MQ-2烟雾报警器，该报警器广泛应用在家庭和工厂的气体泄漏监测，适合丁烷、酒精、烟雾、一氧化碳等探测，具有灵敏度高、快速响应、稳定、寿命长和驱动电路简单等优点。
1.2 Zigbee 组网步骤
Z-Stack 协议栈支持三种种类型网络方式：树形、星形网络和网状网络。设计中，传感器节点和协调器节点组建成星型网络。
组网步骤如下：
（1）定义Zigbee 数传模块各个节点的属性。这样就需要使用到Zstack协议栈的zgDeviceLogicalType=ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE函数将传感器节点属性定义为终端节点，将与网关模块相连接的节点通过zgDeviceLogicalType=
ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR 函数定义为协调器节点。
（2）为各Zigbee 数传模块节点分配64 位地址。用户可以自行定义64 位长地址，当用户定义错误时，系统会随机生成地址。
（3）给Zigbee无线模块上电后，协调器节点会自动选择通信质量好、空闲的信道组建Zigbee 网络，同时发布14 位PAN ID，并侦听有没有节点需要加入网络。
（4）当终端节点接入电源后，它会自动搜索附近存在的Zigbee 网络。如果有网络就发送加入网络请求，然后等待协调器节点响应，当协调器节点感知到请求并同意请求后终端节点加入网络。最终，终端节点和协调器节点建立起一个完整的Zigbee 星型网络。
1.3 uIP协议栈移植
uIP协议栈的代码采用用C语言编写，可以非常方便的移植到不同的操作系统结构中。其编译栈能够在很小容量的ROM或RAM中运行，并且有一个全局缓冲区，该区域里面能包括硬件处理层、协议栈层和应用层的缓存数据，不需要对数据进行拷贝处理，极大的节省存储空间，支持多个主动和被动连接并发。
协议栈结构图如图2 所示。
图2 uIP协议栈结构图
uIP 协议栈通过函数uip-input()和静态全局变量uip-buf、uip-len 实现与网络设备驱动的连接。数组uip-buf 指定的缓存区存放嵌入式系统接收和将要发送的数据包。为减少存储器的使用，接收和即将发送的数据包使用同一个缓存区存放。变量uip-len为接收发送缓存区的数据包长度，判断该变量数值大小来判断系统是否接收到新数据，或是否有数据需要发送到网络上[6]。网络设备驱动接收到一个数据包后，将其存放到uip-buf中，并将数据包长度写入uip-len，然后调用函数uip-input()。函数uip-input()是uIP协议栈的底层入口，由其处理收到的数据包。函数uip-input()返回后，若有新数据需要发送，则把数据存放到数组uip-buf指定的缓存区中，数据长度存放在变量uiplen中。系统判断uip-len 的值，若uip- len 等于0，则表示无数据包要发送；若uip- len大于0，则表示有新数据需要发送，调用网络设备驱动发送数据。
基于单片机的uIP协议栈的移植有以下九个步骤：
（1）建立KEILC工程文件，并建立src 目录存储源文件。
（2）将协议栈代码主函数文件放入src 源文件目录下。
（3）参考uIP协议栈源代码里面的tapdev.c文件和以太网驱动芯片资料编写网卡驱动程序。
（4）uIP 协议栈需要使用时钟为TCP 和ARP 提供定时器服务，因此触发定时器0 模式作为时钟，每隔20ms 让计数器变量time_cnt加1，time_cnt 加到25 即0.5s 后调用TCP 定时处理程序，在10s 后调用ARP 老化程序。
（5）在uIP 协议栈源代码中找到uip.c 和uip.h 文件，并将其复制到src文件夹中，若需要使用ARP协议，则将uip_arp.c和uip_arp.h 文件也放人src 下。
（6）找到uipopt.h 和uip-conf.h 文件，这两个文件对本地IP 地址、MAC 地址、侦听数、ARP 表大小等参数进行配置。
（7）编译代码找出错误并改正使其编译通过。
1.4 显示界面的编写
为了用户能够实对数据有直观掌握，设计一个网页用于实时了解家庭温度、湿度和烟雾情况的监控。采用HTML（Hyper Text Mark-up Language）超文本标记语言，其制作简单，功能强大，支持插入不同数据文件格式，具有简易性、可扩展性、平台无关性以及通用性等特点。uIP 协议栈在应用层设计有Web浏览器，能够通过Web浏览器读取HTML网页文件，同时用网页形式显示出来。
浏览器不会直接显示标签，而是通过标签内容解释相关网页。
超文本标记语言设计网页的整体框架如下：
<html>
<head>
<title>页面标题</title>
</head>
<body>
主体文件内容
</body>
</html>
2 系统测试
2.1 节点模块性能测试
家居信息采集系统采用星型网络方式组建，CC2530单片机在200m 通讯距离内都能实现无丢包或可以接受范围内的丢包率通信，在家庭范围内终端节点和协调器节点距离不会超过200m，所以借助串口助手调试传感器节点数据，如图3所示。
图3 终端节点和协调器节点读取数据对比图
在调试过程中，首先读取终端Zigbee 数据采集节点采集到的数据，然后在读取协调器节点的数据，做出对比，刚开始打开串口的一段时间内没有数据接收，这是由于终端节点和协调器节点间在进行组网操作，大约30s 后能接收到数据，通过接收到的数据可判别通信的准确性，图3 为终端Zigbee 数据采集节点和协调器节点读取数据的对比图，从图中可以看出，左端串口助手读取的是终端节点采集到的数据，在数据格式中T&H&S分别代表了采集到的温度、湿度和烟雾浓度，接着的三组数据分别代表了温度、湿度和烟雾浓度的数值，右端的是协调器节点收到终端节点发送的数据然后用串口显示的结果。
2.2 串口转以太网模块性能测试
本设计在测试时选用了一款RS232 转RJ45 服务器测试软件，该软件能显示网关RJ45 接口接收到的从串口中传输来的数据，同时与串口发送的数据相比对，测试数据传输的准确性，测试结果如图4 所示
。
图4 RS232 转RJ45服务测试软件测试结果
2.3 整体性能测试测试
网页动态显示结果如图5 和6 所示，图5 和6 分别代表了两个时刻网页显示的数据。测试时通过人为的改变温湿度和烟雾传感器采集的数据来测试整体模块的性能，从图5和6 能够看出改变的数据来验证整体实现的功能。
图5 网页显示结果
图6 网页显示结果
3 结语
基于Zigbee数传模块和以太网的家居信息采集系统是将Zigbee数据采集、发送和网络信息相结合，用串口转以太网形式将Zigbee数据采集节点采集到的数据发送到网络中，并通过网络设备显示监控的数据。完成了硬件电路和软件设计调试，移植了uip协议栈实现了以太网的功能，尽可能地降低代码量，节约了成本，具有很高的应用价值。
LED 具有使用寿命长、光效高以及低功耗的特质，使得它在和传统照明灯具相比的时候优势明显。与此同时，近年来电力资源持续缺乏，国家一直在提倡节能环保、营造“绿色低碳”生活，LED 必将会取代传统照明产品。
LED 的半导体器件的特性，使其在智能照明控制方面有绝对的优势，可以完美实现对照明灯具的调光调色、灵活设置、分组管理、状态查询和故障报警等功能，可以更加人性化的满足使用者的要求，实现最大限度的节能，有效地降低照明工程的维护成本。LED 照明走向智慧化已经成为一个发展趋势。
“十二五”规划，国家确定了七大战略性新兴产业，而节能环保是其不变的主题。鸿雁电器积极响应国家发展政策，朝着智能、节能、绿色环保方向发展。基于鸿雁电器本身强大的产业链和产品矩阵，LED 产品依靠引进的主流设备及技术，跨界融合光电与信息产业科技，将智能化控制系统与LED 照明产品进行创造性地融合，为用户提供更低耗、更高效、更节能、更环保的LED 智慧照明系统解决方案。
1 现状分析
目前，普通家庭照明采用的基本是采用电工开关+传统灯具的模式，这种模式已延续几十年，并且已经成为人们的使用习惯，很难被改变，这种传统方式相对简单、有效、直观。但是，整个系统相对分散，无法实现有效的管理，其适时性和自动化程度太低，已经无法满足人们对照明的高效控制和功能多样化的需求。
20 世纪90 年代初，随着计算机技术和网络技术的飞速发展，办公自动化、楼宇自动化、家庭自动化的出现，人们对照明控制提出了更高的要求，从而产生了智能照明控制方式。所谓智能照明控制，就是根据某一区域的功能、每天不同的时间、室内外亮度或该区域的用途来自动控制照明设备，并能够实现集中统一管理与监控的功能，并结合现代照明技术和照明艺术，科学地管理照明设备，让人们在一个不仅照明技术参数指标方面达到标准的要求，而且舒适、明亮并富有艺术魅力的照明环境里工作和生活。
从智能照明控制系统的组成方式看，主要有总线型、电力线载波型、无线网络型等。市场上主流的系统主要有：KNX/EIB、ABB i-bus 系统、邦奇Dynet 系统、Philips 的DALI 总线、日本松下的HBS 总线、奇胜C-Bus 系统、Control4 以及X-10 的电力线载波系统等。上述系统的布线方式和传统电工布线规范都是不同的，而且这些系统价格高昂、设计复杂、维护成本高，不是一般用户能够承受的。
因此，结合LED 照明的发展趋势和智能照明控制的现状，运用目前主流的ZigBee无线模块组网技术，研制开发的LED 智慧照明控制系统将大大满足人们对照明智能化、节能化以及人性化的需求。
2 系统架构
基于ZigBee无线模块 的LED 智慧照明控制系统架构如图1 所示。
图1 系统架构图
整个系统由两个网络组成：WiFi无线局域网和ZigBee数传无线个域网。
WiFi 局域网的作用是实现LED 智慧照明控制系统与智能终端（如智能手机、智能Pad 等）的互联互通，通过智能终端可以方便控制和管理系统；ZigBee 数传个域网的作用是实现所有驱动模块与控制设备、系统网关之间的互联互通，是LED 智慧照明系统的基础控制网络。
系统产品遵循统一的交互协议，可实现不同控制器控制一个驱动模块，一个控制控制多个驱动模块，以及各种情景模式的设置与控制，结合照度自适应功能，可适应多种领域，如办公、家庭等，达到智能、节能的效果。
3 ZigBee技术的优势
(1) 低成本：数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且无需缴纳专利费；
(2) 超低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年；
(3) 稳定性高： 网状网络提供高冗余通信路径，CSMA/CD 技术和确认机制确保了网络通信的稳定性；
(4) 组网简单：自组网和自动路由功能使得网络的构建和维护变得十分容易；
(5) 高安全性：提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128 位加密算法；
(6) 兼容性：开放的标准使不同供应商的产品可以很容易实现互联互通；国际通用的免费频段使产品准入更为简单；(
7) 响应速度快：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；
(8) 网络容量大：可支持管理多达65535 个节点。
4 系统特点
4.1 低成本、易安装
传统的智能照明控制解决方案需要预先布置大量的通信线缆，既影响美观又增加了施工的难度，特别是对已完成装修的家庭来说，重新布线需要破坏原有的装修环境，在很大程度上也增加了部署的成本。
本系统采用领先的ZigBee无线模块通讯技术和创新的安装方式，如图2 所示，无需在设备间额外安装通讯电缆，无需更换传统的开关，只需安装在灯具上，就可实现对灯光、窗帘等电器的ZigBee数据采集和智能控制，任何一个非专业的电工都能安装。
图2 不同布线方式的安装方式
4.2 自组网，免调试
本系统采用了ZigBee数传模块网状网络结构，使无线信号可以在设备之间自动路由，从而使得通信网络不受点与点之间的距离局限而覆盖整个屋子。系统构建无需调试，系统上电自动组网，任何新加入的设备都能够自动加入网络，无需额外配置。
4.3 高可靠，易维护
本系统各个节点设备均配置独立的CPU 和存储器，配置信息均保存在节点设备上，即系统中任何一个设备出现故障，只是与该模块相关的功能失效，而不影响网络其他设备的正常运行，既有利于快速故障定位，又提高了照明控制系统的容错水平。
4.4 随时随地的多种控制方式
本系统多种集中控制方式，包括机械开关、触摸液晶屏、遥控器、智能手机、智能Pad 等，用户可以根据家居的环境和应用的场合自由选择控制的方式。通过安装LED 调光模块，传统的机械开关就能实现LED 灯具亮度调节。iPhone、iPad 以及Android 手机只需下载安装控制软件，通过简单设置即可实现对LED 照明系统的控制和管理。
5 系统硬件设计
5.1 节点结构
ZigBee/WiFi 网关采用透明传输的方式，由客户机发送控制指令，从节点设备接收指令，并执行相应的动作以及反馈执行后的状态，降低了以往智能系统主机高度集成带来的可靠性风险。ZigBee/WiFi 网关配有WiFi 模块和ZigBee数传模块，WiFI 模块可通过无线路由器与智能终端设备连接，ZigBee 模块实现控制模块之间的无线组网。
ZigBee/WiFi 网关的硬件结构如图3 所示。
图3 ZigBee/WiFi 网关硬件结构
从节点选用采用意法半导体推出的高性能双串口8位单片机STM8S105k，存储器有EEPROM 芯片AT24C02组成。每个从节点配有ZigBee 无线通信模块与网关连接，实现命令控制和数据的传输。从节点硬件结构如图4 所示。
图4 从节点硬件结构
5.2 电源模块LNK304 是PI 公司推出的一款高效离线式开关电源芯片。
LNK304 在一个IC 上面集成了一个700V 的功率MOSFET、振荡器、简单的开/ 关控制电路、高压开关电流源、频率调制、逐周期的电流限制及过温保护。器件在启动及工作期间的功率消耗直接由漏极引脚的电压来提供，因此，在BUCK 及反激式控制器中可节省偏置供电的相关电路。
LNK304 用来替代输出电流小于360mA 的所有线性及电容降压式非隔离电源。其系统成本与所替代的电源相等，但性能更好、效率更高。电源模块电路原理如图5 所示。
图5 电源模块电路原理
6 系统软件设计
6.1 系统网络架构本系统网络架构采用C/S 模式，在智能终端上安装客户端应用软件，驱动设备作为服务器，客户端实时访问、控制和设置服务器。系统网关作为TCP/IP 与ZigBee网络层协议的转换，应用层协议不进行任何处理，直接透传。系统网络架构如图6 所示。
图6 系统网络架构
软件通信流程如图7 所示。系统软件作为客户机，驱动模块作为服务器，客户机按照通信协议发送具体的控制和设置指令，由驱动模块直接接收和处理相应的指令，并且将ZigBee数据采集信息反馈信息到客户机。
图7 系统软件通信流程
6.2 ZigBee 网络协议
ZigBee 协议栈是在IEEE 802.15.4 标准基础上建立的，定义了协议的MAC 和PHY 层。
ZigBee数传设备应该包括IEEE 802.15.4（该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY 和MAC 层，以及ZigBee 堆栈层：网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。
6.3 系统管理界面系统管理完成的主要任务有：设备管理，包括添加和删除设备；房间管理，包括添加和删除房间，以及房间内的设备和常用场景；主界面设置，包括主界面常用场景设置、个性化设置等；设备同步，可实现不同终端设备之间配置信息的同步；主机设置，可对系统网关IP地址进行设置等。系统管理界面如图8 所示。
图8 系统管理界面
6.4 系统控制界面
系统控制实现的主要功能是：房间选择，可以选择各个房间，查看和控制房间内的设备；单独控制，针对房间内的设备可以进行单独控制，实现开关、调光、调色温、调色彩、窗帘开关等功能；场景控制，根据用户的预设，在房间内可以实现一键式场景控制；个性化图片显示，通过系统设置可以在房间内显示不同房间的图片。系统控制界面如图9 所示。
图9 系统控制界面
7 结语
本文使用用ZigBee 无线模块构建了LED智慧照明系统。它利用ZigBee数传模块进行ZigBee数据采集传输，可以充分发挥LED 数字化照明的优势，对推动LED 进入家居市场有着很重要的作用。目前正是发展LED 智慧照明系统的最佳时机，它将是LED改革浪潮的下一波新的增长点，对于促进LED 照明的发展、推对国民经济的增长有着重要的意义。