王興國

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽，110161）

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)與分析

王興國

（遼寧行政學(xué)院，遼寧沈陽，110161）

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和傳感技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代促進(jìn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)從視頻監(jiān)控的傳統(tǒng)模式被無線傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控模式所取代。無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中最主要的技術(shù)是ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器之間的相互通信。本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和功能進(jìn)行了分析，在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)之上對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。

ZigBee技術(shù)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)分析

無線傳感網(wǎng)是把部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)具有特定功能的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式連接在一起的多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。當(dāng)無線傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)接收到網(wǎng)絡(luò)管理員的控制命令或者節(jié)點(diǎn)自動(dòng)運(yùn)行內(nèi)嵌程序的時(shí)候，無線傳感網(wǎng)通過路由選擇、時(shí)鐘同步等模塊的功能來完成操作。無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的所有的節(jié)點(diǎn)會(huì)按照當(dāng)前的控制指令或者預(yù)先的內(nèi)置設(shè)置，對(duì)無線傳感網(wǎng)覆蓋的區(qū)域的信息進(jìn)行采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。無線傳感網(wǎng)涉及到傳感器節(jié)點(diǎn)、嵌入式計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)無線通信和分布式處理等技術(shù)，對(duì)覆蓋區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測主要依靠集成化的微型傳感器，對(duì)監(jiān)測范圍內(nèi)各類信息采集是通過大量傳感器節(jié)點(diǎn)的相互協(xié)作完成。節(jié)點(diǎn)對(duì)原始信息進(jìn)行一系列的處理之后會(huì)以無線通信方式，通過自組織的多跳傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給用戶終端，這樣實(shí)現(xiàn)了人腦空間、物理空間和信息空間的三元連通。無線傳感網(wǎng)把抽象的信息空間和客觀的物理空間聯(lián)系在一起，不僅改變了人與自然的交互方式，而且把人對(duì)自然的掌控能力也提高了一個(gè)層次。

2 基于ZigBee技術(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)主要由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧三部分組成，在無線傳感網(wǎng)中，按照硬件設(shè)備功能和層面的不同對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有傳感器節(jié)點(diǎn)、管理節(jié)點(diǎn)、通信衛(wèi)星和用戶界面組成。節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)是按傳感器節(jié)點(diǎn)組成元件的功能不同進(jìn)行劃分的，無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括傳感裝置、供電設(shè)備、通信模塊和數(shù)據(jù)處理單元。在系統(tǒng)中，傳感裝置功能主要是是對(duì)所監(jiān)測的范圍進(jìn)行信息的采集。系統(tǒng)中的供電設(shè)備在技術(shù)和結(jié)構(gòu)上比較簡單，供電一般選擇的是常規(guī)電池，但是性能是決定整個(gè)無線傳感網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵因素，供電設(shè)備在選擇上要采用續(xù)航能力強(qiáng)并且性能穩(wěn)定的設(shè)備，無線傳感器應(yīng)用過程中的較大的瓶頸通常是供電設(shè)備的性能。通信模塊主要是連接相鄰節(jié)點(diǎn)的，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信息的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，無線傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的成功的關(guān)鍵性因素是通信模塊的選擇。數(shù)據(jù)處理單元負(fù)責(zé)把節(jié)點(diǎn)采集到的信息進(jìn)行處理，同時(shí)控制和調(diào)度所有的節(jié)點(diǎn)模塊，在無線傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)處理單元是節(jié)點(diǎn)的核心。無線傳感網(wǎng)協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層五個(gè)協(xié)議層，每個(gè)協(xié)議層分布負(fù)責(zé)不同的網(wǎng)絡(luò)通信，目前我們對(duì)五個(gè)協(xié)議層中的網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議研究投入相對(duì)多些。

2.2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)的傳感節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)一般都是選擇體積較小的嵌入式系統(tǒng)，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境采用集成的（IAREW）開發(fā)環(huán)境，ZigBee無線模塊的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思想是采用操作系統(tǒng)來構(gòu)建的，采用時(shí)間輪詢機(jī)制，當(dāng)系統(tǒng)各層在初始化階段，系統(tǒng)進(jìn)入的功耗模式是低功耗，事件被激發(fā)后，系統(tǒng)被喚醒，進(jìn)入到中斷處理事件，當(dāng)事件結(jié)束后，系統(tǒng)再次進(jìn)入到低功耗模式。如果發(fā)生的事件比較多，這樣系統(tǒng)會(huì)通過優(yōu)先級(jí)的判斷來對(duì)事件進(jìn)行處理。Z-Stack的軟件架構(gòu)工作流程主要是首先啟動(dòng)系統(tǒng)，然后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的初始化和OSAL初始化并對(duì)其啟動(dòng)，最后進(jìn)入到事件的輪詢階段。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，在ZigBee無線傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的主要作用是建立ZigBee無線傳感網(wǎng)，并對(duì)ZigBee無線傳感網(wǎng)進(jìn)行管理。當(dāng)有其它的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求要加入到ZigBee無線傳感網(wǎng)中時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)通過加入申請(qǐng)。協(xié)調(diào)器把終端節(jié)點(diǎn)傳輸過來的電壓數(shù)據(jù)收集到一起，通過串口把收集的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)把控制命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器在接收到命令后，把控制命令發(fā)送給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收到控制命令后會(huì)采取相應(yīng)的處理措施。

路由器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，在ZigBee無線傳感網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，路由器節(jié)點(diǎn)的作用是路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee設(shè)備的地址類型有兩種，一種類型是64位的IEEE地址，另一種類型是16位網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee無線傳感網(wǎng)分配網(wǎng)絡(luò)地址的編址方案是分布式的編址方案，分布式編址方案可以保證在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有被分配的網(wǎng)絡(luò)地址都是唯一的。

終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)，在ZigBee無線傳感網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)作用是采集電源電壓數(shù)據(jù)，并把電源電壓數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，也可以接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的控制命令，終端節(jié)點(diǎn)對(duì)采集/保護(hù)模塊中的繼電器和蜂鳴器進(jìn)行控制，按照接收到的控制命令做出相應(yīng)處理措施。終端節(jié)點(diǎn)以本身授權(quán)身份啟動(dòng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，與協(xié)調(diào)器建立綁定關(guān)系，創(chuàng)建綁定關(guān)系后，終端節(jié)點(diǎn)可以在不知道發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址的情況下把數(shù)據(jù)發(fā)送到目的端。

上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，上位機(jī)在ZigBee無線傳感網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)中采用的軟件開發(fā)平臺(tái)是面向測控領(lǐng)域的LabWindows/CVI軟件，這款軟件是NI公司推出的。主要功能是通過串口接收ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳來的被監(jiān)控的電壓數(shù)據(jù)，電壓數(shù)據(jù)的顯示方式是以文本和波形圖的方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的。通過對(duì)電壓警戒值和控制方式的設(shè)置，來實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)控制或者手動(dòng)控制。上位機(jī)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫連接在一起，把系統(tǒng)中的電壓信息和報(bào)警信息在存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，這樣用戶可以很方便的通過上位機(jī)界面對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行查詢，也方便了對(duì)日后產(chǎn)生的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)信息進(jìn)行管理。上位機(jī)界面軟件數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，把數(shù)據(jù)庫加入到了上位機(jī)軟件中，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用的是微軟開發(fā)的access數(shù)據(jù)庫，通過后臺(tái)數(shù)據(jù)庫對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。LabWindows/CVI提供了數(shù)據(jù)庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit，在工具包里包含了一個(gè)用來完成一般數(shù)據(jù)庫任務(wù)的高級(jí)函數(shù)集。

3 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要是應(yīng)用ZigBee技術(shù)，采用多點(diǎn)融合和協(xié)同感知的網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)中的環(huán)境信息進(jìn)行收集和處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的信息處理能力。

[1]邢文生,李希臣. nRF2401的ShockBurstTM模式及其單片機(jī)KeilC語言實(shí)現(xiàn)[J]. 電子工程師. 2014(01).

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[3]馮賓.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代溫室環(huán)境檢測系統(tǒng)研究[D]. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 2010.

Application design and analysis of ZigBee technology in wireless sensor network monitoring system

Wang Xingguo
(Liaoning Academy of Governance, Shenyang Liaoning，110161)

With the development of wireless network technology and sensor technology, the era of things to promote the development of wireless sensor network monitoring system, monitoring system has been from the traditional mode of video surveillance is the monitoring mode of wireless sensor network is replaced The most important technology of wireless sensor network monitoring system is ZigBee technology, and ZigBee technology can realize the mutual communication among the sensors In this paper, the characteristics and functions of wireless sensor networks are analyzed, and the hardware and software of wireless sensor network monitoring system are designed and researched on the basis of ZigBee technology

ZigBee technology; wireless sensor network; Internet of things technology