●李合軍

一、概述

（一）ZigBee 協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡

傳統(tǒng)單片機發(fā)展的過程較長，在傳統(tǒng)單片機發(fā)展的過程中也遇到了一些問題。因此，在傳統(tǒng)單片機發(fā)展到一定階段后，出現(xiàn)了無線單片機。從傳統(tǒng)單片機到無線單片機的過渡和轉化過程在本文中有必要進行簡要的闡述和探討。在對上述內容的進行研究和探討的基礎上，筆者基于ZigBee 協(xié)議提出了一種新型的網(wǎng)絡教學系統(tǒng)和實驗模式。該種教學系統(tǒng)和實驗模式也正是依托無線傳感器網(wǎng)絡完成的。在該種實驗模式和教學系統(tǒng)中，分布有不同的傳感器節(jié)點，這些傳感器節(jié)點之間通過網(wǎng)絡互相連接，形成了一種新型的架構模式。不同的無線網(wǎng)絡傳感器之間的組合形成的不同樣式的拓撲結構。在這種設計下，不同的數(shù)據(jù)采集點所采集到的所有有效數(shù)據(jù)將會利用構建的連接的網(wǎng)絡進行傳輸，并最終傳輸?shù)接脩舻慕K端設備上，以此來完成整個傳輸活動。除此之外，處于終端控制位置的用戶群體同時也能通過網(wǎng)絡信號的傳輸對架構上的各個無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點進行控制。通過這種架構模式，可以實現(xiàn)信息傳輸?shù)碾p向互動，用戶可以便捷的控制無線傳感器節(jié)點，無線傳感器采集到的信息也可以及時返回用戶終端。

（二）單片機演變歷程

單片機相關技術在世界范圍內的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了較長的時間，在發(fā)展階段內單片機在運行速度上也有了明顯的提升和優(yōu)化。該種提升為單片機的計算和應用帶了諸多便捷條件和優(yōu)勢。具體而言，單片機在最初的發(fā)展階段為8 位單片機，經(jīng)歷長期的技術更迭，單片機技術逐漸演變到32 位單片機。單片機技術也因此帶來了技術上的大發(fā)展。從客觀上來看，上述單片機的發(fā)展和技術更迭主要體現(xiàn)在運行速度上，這種改變實質上是數(shù)量上的改變而非本質的改變。只有單片機技術真正實現(xiàn)了質的飛躍才能被稱之為根本上的更迭和變化。具體而言，單片機技術只有實現(xiàn)了無線化、無線網(wǎng)絡化，并將無線功能進行集成，才屬于單片機技術的飛躍和發(fā)展。單片機在實現(xiàn)了無線化和無線網(wǎng)路傳感器的集成的情況下，可以實現(xiàn)更廣的應用范圍，并且可以更深刻的產(chǎn)業(yè)變革。因此，上述的單片機技術的變革更具應用價值。但是，無論是無線網(wǎng)絡傳感器技術的更新還是單片機技術的更迭都會給教學活動帶來新的挑戰(zhàn)。因此，本文的研究具有一定的實踐價值。

二、無線傳感器網(wǎng)絡單片機教學與實驗平臺

ZigBee 協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的組成由不同的設備組成。具體而言，該設計系統(tǒng)內需要包括PC 設備。PC 設備在整個設計系統(tǒng)中處于核心位置。該設計系統(tǒng)內還包括了網(wǎng)關相關設備和無線傳感器網(wǎng)絡設備。整個系統(tǒng)內的各項設備在系統(tǒng)運行的過程中都需要通過無線網(wǎng)路進行連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時傳輸，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設計目的。

（一）系統(tǒng)連接模式

該套系統(tǒng)的連接模式具體闡述如下：PC 機是整個設計系統(tǒng)的控制部分。PC 設備與系統(tǒng)內的網(wǎng)關設備連接，PC 設備將通過網(wǎng)關作為中介設備與系統(tǒng)中的其他設備進行連接，并實現(xiàn)相應的控制活動。網(wǎng)關將實現(xiàn)與其他各種類型的多數(shù)量設備進行連接。網(wǎng)關連接的設備主要有兩類，第一類是的路由設備，第二類是傳感器設備。路由設備和傳感器設備的數(shù)量和具體布置方案將根據(jù)實際需求情況進行分配和安裝。整個系統(tǒng)構建的方案屬于可變更的靈活狀態(tài)，這也是為了能夠在實踐活動中方便使用和配置。在標準的系統(tǒng)設計模式下，網(wǎng)關設備后假設了五臺路由設備，路由設備分為三個配置路徑。網(wǎng)關后的三臺路由設備后又增設了若干個傳感器節(jié)點。在本套設計系統(tǒng)中，分別將其標記為路由設備A、B、C，分別將路由設備后連接的七個傳感器節(jié)點標記為傳感器節(jié)點1、傳感器節(jié)點2、傳感器節(jié)點3、傳感器節(jié)點4、傳感器節(jié)點5、傳感器節(jié)點6、傳感器節(jié)點7。其中，路由設備A分為兩條配置路徑，其中第一條配置路徑連接了傳感器節(jié)點1,第二條配置路徑連接了傳感器節(jié)點2。在路由設備B 的配置方面，路由設備B 與路由設備C 之間存在中繼關系。PC 終端發(fā)出的設備信號會經(jīng)過兩臺路由設備進行傳輸。同樣地，由無線網(wǎng)絡傳感器采集到的信息也會通過雙重路由設備的中繼到達PC 設備。通過上述信息傳輸渠道的構建，可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點之間和PC 設備之間信息有效傳輸。路由設備C 最終連接與剩余的無線網(wǎng)絡傳感器節(jié)點進行連接實現(xiàn)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

系統(tǒng)連接模式示意圖

（二）關鍵設備介紹

1.PC 設備。在該設備中將設置多臺PC 設備，以實現(xiàn)不同的工作任務和目標。在不同的PC 端之間可以實時保持連接，以獲得操作和任務的同步進行。在多個PC 端與網(wǎng)關設備的連接時，本設計采用了有線連接的方式。其原因主要是由于實體網(wǎng)線可以保證連接的穩(wěn)定性。除此之外，PC 設備上還設置了可視化的上機位畫面，通過可視化的操作界面可以使該系統(tǒng)的操作更加便捷，更易于實現(xiàn)設計目的。PC 設備與網(wǎng)關設備之間建立的連接，主要可以實現(xiàn)以下功能：（1）實現(xiàn)PC 設備與網(wǎng)關設備之間的通信，使整個設計系統(tǒng)之間保持及時的信息交流。（2）PC 端可以通過與網(wǎng)關設備的連接實現(xiàn)實時觀察系統(tǒng)運行狀況的功能。（3）PC 端可以實現(xiàn)實時監(jiān)測功能，系統(tǒng)運行的各項參數(shù)將實時反饋在PC 設備上，可以使用戶便捷的掌握到系統(tǒng)運行的各種狀況。（4）PC 端可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。PC 端的可視化面板上將會顯示各種控制參數(shù)，用戶可以實現(xiàn)便捷地對各項功能進行控制和操作。

2.網(wǎng)關設備。在本文設計的系統(tǒng)中網(wǎng)關設備主要起到了建立網(wǎng)絡連接的作用。本文中研究的系統(tǒng)中的各個設備之間必須依靠有效的網(wǎng)絡連接才能實現(xiàn)。通常運行狀態(tài)下，PC 端發(fā)送的指令將通過網(wǎng)關向的其他設備進行傳輸。PC 端將發(fā)送的指令傳輸至網(wǎng)關設備，網(wǎng)關設備再將相應的指令發(fā)送至路由節(jié)點和其他終端傳感器節(jié)點。同樣地，終端傳感器節(jié)點也可以將其采集到的信息通過路由設備傳輸至網(wǎng)關設備，最終將所需數(shù)據(jù)傳輸至PC 端。

3. 路由節(jié)點及設備。由于終端設備數(shù)量通常情況下較多且分布較廣。因此，網(wǎng)關設備不可能與每一個終端傳感器節(jié)點之間產(chǎn)生連接，此時就需要路由節(jié)點及設備進行數(shù)據(jù)的中繼服務。

4. 終端傳感器設備。終端傳感器設備主要實現(xiàn)的功能是采集各項數(shù)據(jù)。其中包括對各種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集活動，例如可以實現(xiàn)對光線的控制以及對溫度數(shù)據(jù)以及光照數(shù)據(jù)進行采集。

三、軟件平臺

（一）軟件平臺功能

在該系統(tǒng)內設置了上位機ZigBee 無線網(wǎng)絡監(jiān)控軟件，該軟件可以實現(xiàn)可視化顯示的功能。這種可視化顯示主要是基于網(wǎng)絡拓撲實現(xiàn)。除此之外，該軟件還可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點的相關數(shù)據(jù)的讀取以及可視化。具體而言，可以實現(xiàn)讀取溫度、光敏值、信號強度的讀取和可視化顯示。這為用戶使用帶來了較強的便利性。該軟件可以實現(xiàn)對各個傳感器節(jié)點的程序配置和下載、拓展實驗過程中所需要的其他配置等功能。

（二）ZigBee 無線網(wǎng)絡監(jiān)控軟件的特點

ZigBee 無線網(wǎng)絡監(jiān)控軟件的特點主要有以下五點：其一，可以實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)控并管理。使用戶可以實時控制整個系統(tǒng)運行。其二，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。其三，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡運行狀況的實時監(jiān)控。其四，可以實現(xiàn)命令的發(fā)送和信號的傳輸功能。其五，可以通過PC 對系統(tǒng)中的節(jié)點進行配置。

四、結語

在本文中，筆者研究和設計的無線傳感器網(wǎng)絡可以實現(xiàn)將傳感器所收集到的信息通過路由設備進行中繼后，再通過網(wǎng)關設備傳輸至PC 端，PC 端作為主控電腦可以通過運用相應的軟件系統(tǒng)實現(xiàn)可視化的讀取。在用戶使用的過程中，也可以通過操作主控電腦對傳感器節(jié)點進行單獨控制。本文中設計的單片機系統(tǒng)可以實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測等功能。但是其作為一種教學實驗系統(tǒng)，其具備較強的可擴展性。將其他類型的傳感器設備或其他裝置增添至該系統(tǒng)內，就可以實現(xiàn)更加豐富的功能。因此，本文中所提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡的單片機教學系統(tǒng)有著較強的實用性，可以滿足多種實際需要。