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基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

主要研究應(yīng)用電子技術(shù)、嵌入式應(yīng)用。

侯麗玲

(漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，福建 漳州 363000)

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)、無線通信兩大技術(shù)開始有機結(jié)合，基于網(wǎng)絡(luò)、無線通信兩大技術(shù)，可以對其他領(lǐng)域進行檢測系統(tǒng)的控制及管理。深入探索了ZigBee無線通訊技術(shù)，設(shè)計出ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有開放性、通用性等優(yōu)勢；并對該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行仔細闡述，設(shè)計內(nèi)容著重突出3個方面：1)各個節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)；2)實現(xiàn)軟件的功能；3)監(jiān)控中心。設(shè)計的系統(tǒng)對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用具有重要的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠程監(jiān)控；ZigBee技術(shù)；監(jiān)控中心

0引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信兩大技術(shù)開始有機結(jié)合，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為最前沿、最熱點的研究領(lǐng)域，其受到的關(guān)注程度非常高，具有復(fù)雜多樣性、知識高度集成等特征，發(fā)展勢頭迅猛。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當中，ZigBee 網(wǎng)關(guān)的作用至關(guān)重要，起到了樞紐的作用，其發(fā)揮的作用可以用“瓶頸”一詞來形容。基于網(wǎng)關(guān)，可以對全國范圍內(nèi)，或者是世界范圍內(nèi)的單一以及多個監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行共享，縮短了全世界不同區(qū)域的距離，提高了網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)男?，具有實時性。

目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)公司所制定的方案最明顯的缺點包括如下幾方面：1)很難在新場合進行全面應(yīng)用；2)進行二次開發(fā)的難度較大；3)封裝性能很強；4)靈活性較差，無法滿足要求；5)性價比不劃算，沒有競爭力。文章的研究內(nèi)容：基于ZigBee，設(shè)計出遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)有機結(jié)合兩大技術(shù)，即無線通信技術(shù)以及Web服務(wù)器技術(shù)，具有通用性、開放性等優(yōu)勢，可以實時采集、監(jiān)測以及控制所監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境等相關(guān)參數(shù)。本文詳細闡述了4方面的內(nèi)容：1)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計與硬件設(shè)計；3)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計；4)監(jiān)控中心的設(shè)計和實現(xiàn)。

1遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1表示了遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案。按照相關(guān)要求與目標，對四大技術(shù)進行有機結(jié)合，即：1)數(shù)據(jù)庫技術(shù)；2)嵌入式技術(shù)；3)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；4)Web開發(fā)技術(shù)。該方案可以實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域環(huán)境參數(shù)智能管理、自動感知兩大功能。結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成圖能夠看出，系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成為：1)網(wǎng)關(guān)?？梢詣澐譃橐蕴W(wǎng)接口、Sink節(jié)點兩部分，兩部分對以太網(wǎng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)進行連接；2)傳感器網(wǎng)絡(luò)。路由器、傳感器節(jié)點是該部分的主要構(gòu)成要素；3)服務(wù)器。服務(wù)器包括數(shù)據(jù)庫以及Web服務(wù)器兩個組成部分；4)客戶端。客戶端就是瀏覽器用戶。圖2表示了該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的物理網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1　遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2ZigBee節(jié)點的設(shè)計

2.1ZigBee 節(jié)點的硬件設(shè)計

無線傳感器節(jié)點屬于嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有微型化特征，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)支持平臺便由無線傳感器節(jié)點所構(gòu)成。因為傳感器節(jié)點的位置具有不固定的特征，因此，若要在體積小的條件時連續(xù)運行，即必須要降低功耗，并提高穩(wěn)定性。系統(tǒng)硬件平臺上，采用如下措施降低功耗：1)對硬件的結(jié)構(gòu)進行精簡；2)所采用的元器件必須具有功耗低以及體積小的特征。

在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，安置傳感器的采集節(jié)點，通過采集節(jié)點，對環(huán)境的溫度、濕度等參數(shù)進行采集與傳輸，這一結(jié)構(gòu)即為無線傳感器節(jié)點硬件的整體結(jié)構(gòu)。根據(jù)相應(yīng)要求，應(yīng)用由Chipcon制造的高度集成新型片上系統(tǒng)的射頻芯片作為傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點包括3個組成部分：1)電源管理模塊；2)傳感器模塊；3)微處理器。電源模塊的電壓為 3.3 V ，通過穩(wěn)壓器實現(xiàn)，穩(wěn)定不變；傳感器模塊基于處理器的 GPIO 口，實現(xiàn)傳輸參數(shù)數(shù)據(jù)的功能；具體結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖3。

圖3　ZigBee節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

微處理器模塊包括5方面的組成部分：1) CC2530 片上系統(tǒng)；2)其外圍晶振電路；3)電源電路；4)巴倫匹配網(wǎng)絡(luò)；5)天線。CC2530 射頻電路圖如圖4 所示。

圖4CC2530 射頻電路圖電源管理模塊的具體設(shè)計步驟：采用普通的 AA 電池對傳感器節(jié)點進行供電，電池節(jié)數(shù)采用 2 節(jié)，電源模塊的具體電路圖如圖5所示。依據(jù) SW1 撥動開關(guān)的接通或者是斷開，對電池輸出進行相應(yīng)的控制，通過升壓轉(zhuǎn)換器AS1337，對電池電壓進行升壓處理，使電壓穩(wěn)定值為3.3V，固定不變。電源的工作指示燈為D1，濾波電容分別是C2與C3，輸出電壓值依靠R2與R3進行適當調(diào)節(jié)，輸出端電壓采用Vo表示，Vo計算過程如下：

Vo=1.23×(1+R2/R3)，

式中：R2取值560 K；R3取值330 K。

圖5傳感器節(jié)點電源模塊電路原理圖外圍接口電路設(shè)計共劃分為以下4點：1)射頻芯片復(fù)位電路；2)JTAG接口；3)傳感器擴展電路；4)LED指示燈電路。其中傳感器拓展電路的詳細狀況詳見圖6。

圖6　傳感器節(jié)點外圍接口電路原理

2.2ZigBee 節(jié)點的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

在完成Sink節(jié)點的創(chuàng)建工作后，傳感器節(jié)點將可以作為終端節(jié)點的設(shè)備類型加入至網(wǎng)絡(luò)，這就是所謂的傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 傳感器節(jié)點上電后，要做相應(yīng)的工作，具體包括：1)對時鐘頻率進行設(shè)定；2)對IO 口進行設(shè)置； 3)對定時器進行設(shè)置等等。接下來對已有的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)進行全方位掃描，并連接至信號最好的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)可以將成功加入網(wǎng)絡(luò)的消息實時發(fā)送至不同的任務(wù)，這些任務(wù)均屬于已注冊狀態(tài)，且存在于應(yīng)用框架內(nèi)，“ZDO_STATE_CHANGE”是消息的具體形式。消息狀態(tài)可以對目前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行指示。完成消息發(fā)送后，主程序便處于事件監(jiān)聽的狀態(tài)，收到傳感器數(shù)據(jù)或者是相應(yīng)命令時便執(zhí)行相應(yīng)動作，傳送傳感器數(shù)據(jù)或者是發(fā)送命令的對象為 I/O 口或射頻天線。圖7表示了ZigBee 節(jié)點的軟件流程圖。

圖7　ZigBee節(jié)點的軟件流程圖

3網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的功能有兩點：1)兩個網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)交換；2)控制轉(zhuǎn)發(fā)，初始進程、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程及以太網(wǎng)控制進程這三大進程共同形成了網(wǎng)關(guān)。以太網(wǎng)控制進程的任務(wù)是對以太網(wǎng)端的交互以及網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)進行相應(yīng)的維護；ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程的任務(wù)是對ZigBee網(wǎng)絡(luò)端的交互以及網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)進行相應(yīng)的維護。但是，以太網(wǎng)控制進程需將ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程中的傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控中心，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程需將以太網(wǎng)控制進程接收的命令依據(jù)串口發(fā)送至Sink 節(jié)點，因此，以太網(wǎng)控制進程和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程需確定合適的通信機制，該通信機制可確定為FIFO(先入先出)循環(huán)隊列，其中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)這兩大控制進程的設(shè)備信息表需進行共享，依靠共享內(nèi)存實現(xiàn)。在以太網(wǎng)控制進程和ZigBee 網(wǎng)絡(luò)控制進程運行前，初始進程應(yīng)建立好設(shè)備信息表以及通信 FIFO。圖8表示了網(wǎng)關(guān)進程圖。

圖8　網(wǎng)關(guān)進程圖

4監(jiān)控中心的設(shè)計

監(jiān)控中心屬于分布式系統(tǒng)，其模式為B/S 模式，劃分為Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫等多個結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器在以太網(wǎng)的作用下，能夠互相連接起來。設(shè)計中數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的關(guān)鍵功能如下：首先為設(shè)備及入庫傳感器的數(shù)據(jù)信息，傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備信息會等待從Web服務(wù)器發(fā)出的相關(guān)請求；其次為借助服務(wù)器向網(wǎng)關(guān)發(fā)送不同用戶的指令。Http 的服務(wù)端即為Web 服務(wù)器，Web 服務(wù)器的主要作用是對客戶端所有頁面以及腳本的請求進行積極響應(yīng)。圖9表示了監(jiān)控中心數(shù)據(jù)流圖。

圖9　監(jiān)控中心數(shù)據(jù)流圖

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有實時數(shù)據(jù)顯示頁面、控制頁面、歷史曲線頁面和歷史數(shù)據(jù)查詢頁面，其中系統(tǒng)的控制界面如圖10所示。

圖10　系統(tǒng)控制界面

5結(jié)語

本文深入探索了ZigBee無線通訊技術(shù)，設(shè)計出ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通用性和開放性是該監(jiān)控系統(tǒng)最顯著的特點，也是系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。在系統(tǒng)的支持作用下，能夠?qū)Ω黜梾?shù)進行監(jiān)控和采集，這些參數(shù)均涵蓋于檢測范圍中。并對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行共享，提高了網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)男?，在實際應(yīng)用過程中具有指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 蒲泓全,賈軍營,張小嬌,等.ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究綜述[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2013(9).

[2] 楊順,章毅,陶康.基于ZigBee和以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2010,19(1)：194-197.

[3] 彭宇,羅清華,潘大為.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗節(jié)點的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2009(12)：2571-2574.

[4] 張小威. ZigBee電路設(shè)計及在智能家居中的應(yīng)用[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[5] 陳琦,韓冰,秦偉俊,等.基于ZigBee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機研究與發(fā)展，2011,48(增刊)：367-372.

[6] 賀才軍,方厚輝,管于球,等. ZigBee技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2010(5):179-182.

[7] 羅晨汛. ZigBee技術(shù)及其在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[J].電視技術(shù),2011(S1):44-50.

The design and implementation on remote monitoring

system based on ZigBee wireless sensor network

HOU Li-ling

(DepartmentofElectronicEngineering,ZhangzhouInstituteofTechnology,

ZhangzhouFoujian363000,China)

Abstract：With the continuous development of network technology, the two kinds of technology of net and wireless communication begin to mutual confluence. Based on the internet and wireless communication technology, the control and management have been realized in detection system in a broad range of areas. This article make an in-depth study on Zigbee wireless communication technology, designs a Zigbee wireless sensor network remote monitoring system with the advantages of openness and universe, etc. The article introduces in detail on the overall structure of Zigbee wireless sensor network (WSN) and the network architecture. The designing materials are mainly about 3 aspects: 1) the hardware structure for each node; 2) the realization of software functions; 3) the monitoring center. The designed system has an important reference value for the wireless sensor network applications in different areas.

Key words：wireless sensor network; remote monitoring; ZigBee technology; the monitoring center

文獻標志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)04-0032-04

中圖分類號：TP277

作者簡介：侯麗玲(1982-)，女(漢)，寧德霞浦，講師

收稿日期：2015-10-29

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.008