基于ＺｉｇＢｅｅ的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器結(jié)點組成，具有傳感器節(jié)點密度高，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，以及節(jié)點的功率、計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力有限等特點。該文介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合實現(xiàn)遠程監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件與硬件總體設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：傳感器網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)融合；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

中圖分類號：TP393文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2008)33-1358-02

Wireless Sensor Network Design and Implementation Based on ZigBee

WANG Su-hong

(School of Electronics and Computer Science and Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China)

Abstract: Wireless sensor networks are deployed in the region to monitor a large number of low-cost micro-sensor nodes， with a high density of sensor nodes， network topology changes frequently， as well as the nodes of power， computing power and data storage capacity is limited and so on. This article describes the ZigBee network with GSM / GPRS networks for remote monitoring of wireless sensor network software and hardware design methods.

Key words: sensor networks; data fusion; network coordinator

1 ZigBee標(biāo)準(zhǔn)及其研究應(yīng)用狀況

1.1 ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)介紹

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接傳輸。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這種技術(shù)在樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域具有非常廣闊的市場空間。

1.2 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

ZigBee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可以被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、物業(yè)管理，甚至植入人體的醫(yī)療領(lǐng)域。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器結(jié)點組成，具有傳感器節(jié)點密度高，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化頻繁，以及節(jié)點的功率、計算能力和數(shù)據(jù)存儲能力有限等特點。通過無線通信技術(shù)自組織構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其自組織性、體積小、成本低、靈活性等優(yōu)點，在軍事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療、空間探索、商業(yè)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。

3 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)是基于IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的采用GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無線傳感器節(jié)點、匯節(jié)點和GSM/GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)。為了減少網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，降低傳感器節(jié)點的壽命。方案提出基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖1所示。

為了節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸過程中所消耗的能量，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)節(jié)點間距離的遠近劃分成簇，基于簇（Cluster）的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力，每個簇由相互靠近的傳感器節(jié)點組成，每個簇成員都把數(shù)據(jù)傳給簇首。簇首就是分布式處理中心即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個匯節(jié)點，簇首作為本地站點控制者沒有能量的限制，它負責(zé)收集和協(xié)調(diào)簇內(nèi)的節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的通信網(wǎng)絡(luò)底層子系統(tǒng)由低數(shù)率、低傳輸范圍和能量受限的傳感器節(jié)點組成；中、上層子系統(tǒng)由高數(shù)據(jù)率、大傳輸范圍和沒有能量限制的一、二級簇首節(jié)點組成，二級簇首將底層傳感器節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)進行簡單的融合后傳送給上層的一級簇首，或?qū)⑸蠈哟厥装l(fā)來的控制中心命令發(fā)送給節(jié)點，一級簇首將收到的本地二級簇首傳來的數(shù)據(jù)進行簡單處理上傳主控節(jié)點，或?qū)⑸蠈又骺毓?jié)點收到的監(jiān)控中心命令下發(fā)。

一般情況節(jié)點工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測信道，傳感器節(jié)點在監(jiān)測的環(huán)境發(fā)生變化時，通過傳感器節(jié)點內(nèi)的監(jiān)測電路使傳感器節(jié)點能自動醒來和匯節(jié)點進行通信并上報相關(guān)信息；可大大降低接入?yún)R節(jié)點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò)容量。主控節(jié)點和傳感器節(jié)點之間通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點負責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給簇首節(jié)點；控制中心通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。主控節(jié)點通過串口與TC35iGSM/GPRS模塊相連，其它傳感器節(jié)點隨機放置，本系統(tǒng)為低速率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，射頻傳輸成本低，各節(jié)點只需要很少的能量，功耗小適于電池長期供電，可實現(xiàn)一點對多點、兩點間對等通信、快速組網(wǎng)自動配置、自動恢復(fù)和高級電源管理，任意傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。主要用于中短距離無線系統(tǒng)連接，提供傳感器或二次儀表無線雙工網(wǎng)絡(luò)接入，能夠滿足對各種傳感器的數(shù)據(jù)輸出和輸入控制命令和信息的需求使現(xiàn)有系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、無線化。系統(tǒng)設(shè)計可允許使用第3方的傳感器、執(zhí)行器件或低帶寬數(shù)據(jù)源。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 硬件設(shè)計

3.2.1 節(jié)點、簇首的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)傳感器節(jié)點選用Helicomm公司的基于ZigBee協(xié)議的IP-Link1200無線傳感器通信模塊。IP-Link1200模塊是集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，高性能低功耗的8位微處理器，數(shù)字和模擬I/O，ZigBee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長天線，多點、多拓撲網(wǎng)絡(luò)層功能于一體的系列無線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。節(jié)點由IP1200模塊、傳感器、LED指示燈、UART接口和對應(yīng)的MAX3232E串口轉(zhuǎn)換接口芯片（用于連接到PC進行初始配置），以及電源模塊組成，傳感模塊根據(jù)具體應(yīng)用選則。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

3.2.2 ZigBee主控節(jié)點設(shè)計

分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的簇首節(jié)點主要用于接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)上報，并將其進行融合處理，最后由一級簇首傳給主控節(jié)點，編碼處理后經(jīng)SIEMENS TC35i數(shù)據(jù)模塊通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的主控節(jié)點在擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的同時還要充當(dāng)傳感器節(jié)點和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。傳輸數(shù)據(jù)量比一般節(jié)點要大，由IP1200模塊、32位嵌入式微控制器、SIEMENS TC35i組成。

Zigbee模塊和GSM/GPRS數(shù)據(jù)模塊與微控制器之間的連接是通過異步串行口實現(xiàn)的，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個簇首節(jié)點，因此控制器要利用軟件中斷實現(xiàn)對不同ID節(jié)點上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使節(jié)點的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 中央信息控制中心功能設(shè)計

中央信息控制中心由監(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫、圖形顯示幾個部分組成。它通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)中的主控節(jié)點相連，主控節(jié)點與多個簇首節(jié)點連接在一起形成具有分布式處理的ZigBee分簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控模塊通過對通信串口的實時監(jiān)控，實現(xiàn)對分布式匯節(jié)點上報信息的及時接收、解析、處理以及根據(jù)控制中心要求發(fā)送控制信令給不同ID的匯節(jié)點實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的間接、實時性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

3.3.2 主控節(jié)點軟件設(shè)計

主控節(jié)點承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)與網(wǎng)關(guān)的作用，操作系統(tǒng)平臺選用嵌入式Linux，程序采用C語言來實現(xiàn)。

3.3.3 傳感器節(jié)點軟件主要工作過程

1) 節(jié)點初始配置：組網(wǎng)之前要進行單個節(jié)點的配置，節(jié)點初始配置在PC上進行，傳感器節(jié)點與GSM/GPRS模塊分別通過串口與PC相連通過管理程序?qū)懭牍?jié)點的初始配置信息，包括節(jié)點類型：主節(jié)點，中間節(jié)點，尾節(jié)點。配置節(jié)點時各個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)ID必須一致，只有具有相同網(wǎng)絡(luò)ID的節(jié)點才能相互通信。節(jié)點ID用來標(biāo)識同一網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點，同一網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點ID不能重復(fù)，數(shù)據(jù)傳輸時就是按照節(jié)點ID來進行的。此外主控節(jié)點的節(jié)點ID為0。設(shè)置節(jié)點MAC層NodeID、設(shè)置節(jié)點MAC層NetID、選擇RFchannel、選擇不同的節(jié)點射頻發(fā)射功率（0dBm-24dBm），控制節(jié)點的通信范圍。對于主節(jié)點還要設(shè)置：路由規(guī)則AODVorCluster Tree，網(wǎng)絡(luò)層NetID，最大children，最大level。節(jié)點設(shè)置好之后，啟動所有模塊即可自動組建網(wǎng)絡(luò)。

2) 組建網(wǎng)絡(luò)：由主控節(jié)點以無線的方式發(fā)送命令將幾個節(jié)點組成不同形狀的網(wǎng)絡(luò)拓撲，這是IP-Link1200模塊用戶API接口提供的功能。采用何種網(wǎng)絡(luò)拓撲在節(jié)點配置時預(yù)先指定，通過將不同的BlackList寫入節(jié)點FLASH而實現(xiàn)。可以將任意一個配置好的模塊通過串口接到嵌入式控制器上作為主控節(jié)點。當(dāng)某一個節(jié)點死亡（斷電等原因引起）或超出任何一個節(jié)點的通信范圍時，可通過網(wǎng)絡(luò)刷新發(fā)現(xiàn)該節(jié)點，有兩種刷新方式供選擇：立即刷新、定時刷新（可設(shè)置定時刷新時間）。

3) 數(shù)據(jù)采集格式：數(shù)據(jù)采集方式有兩種：單次采集、定時采集（可設(shè)置定時時間）。每次需要采集的節(jié)點可以通過監(jiān)控中心的軟件界面進行選擇，采集到的數(shù)據(jù)以曲線、大屏幕數(shù)字形式顯示；用戶也可以在監(jiān)控中心通過SMS向GSM/GPRS模塊發(fā)送命令來采集所需要節(jié)點的信息，采集到的傳感數(shù)據(jù)仍然以SMS的方式發(fā)送到監(jiān)控中心。根據(jù)具體系統(tǒng)可分別選擇GSM短信方式或GPRS方式，也可以直接發(fā)送到用戶手機上，或通過手機發(fā)出監(jiān)控命令隨時掌握監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

該文給出了一種簡單高效的較大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)方案，可用于多種無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計中，適合用于溫度濕度監(jiān)控、流量過程數(shù)據(jù)采集、工業(yè)監(jiān)控、樓宇自動化、制冷監(jiān)控等領(lǐng)域。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)市場的進一步發(fā)展，ZigBee技術(shù)將逐漸成為主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，獲得越來越廣闊的發(fā)展空間。

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