基于ZigBee的無線傳感網絡的設計與實現

摘 要： 如果需要對條件比較惡劣的工作環境進行監測，ZigBee無線傳感網絡是非常合適的選擇。基于ZigBee的無線傳感網絡能夠利用無線傳感器、協調器和監控中心等形成一個無線網絡，該網絡的監控節點主要通過無線傳感器獲取監控信息，然后通過協調器和監控中心的嵌入式網關連接起來。這是一種基于簇的分層結構，其具有分布式處理能力，能將獲取的信息經過簇頭的融合后，通過RS 232接口直接將數據傳送給監控中心。

關鍵詞： ZigBee； 物流中心； 無線傳感器； 監控

中圖分類號： TN915?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）15?0018?03

Abstract： The ZigBee wireless sensor network is a suitable choice to monitor the poor working environment. The wireless sensor network based on ZigBee makes use of the wireless sensor， coordinator and monitoring center to form a wireless network. The monitoring node of the network acquires the monitoring information through the wireless sensor， and then the node and information are connected through the embedded gateway of monitoring center and coordinator. This network is based on the hierarchical structure of cluster， and has the distributed processing ability. The acquired information is fused through the cluster head， and then the data is transmitted to the monitoring center directly through RS 232 interface.

Keywords： ZigBee； logistics center； wireless sensor； monitoring

0 引 言

ZigBee技術屬于物流網中一種典型的無線組網技術。它基于IEEE 802.15.4標準，該標準包括有四個層次，分別是物理層、媒體訪問層、網絡層、應用層，每層設計有自己的協議，共同完成無線通信。在物流中心的無線監控信息系統中，可能需要眾多的監測點，這些監測點稱為協調器的節點，IEEE 802.15.4標準可以提供的協調器節點可以達到255個，所以一般的企業工作環境的檢測要求都能滿足。

實現ZigBee技術的關鍵是CC2430芯片，此芯片在該技術領域已非常普遍，芯片內主要集成的內容是存儲單元、微控制器與各種輸入輸出接口。ZigBee技術是一種模仿蜜蜂生存方式的無線通信方式，通過ZigBee技術可以實現短距離的、低功耗的無線通信，基于ZigBee的無線通信技術比較容易實現，所以它很適合于在小區范圍或者企業范圍內的無線通信。

1 系統總體結構設計

1.1 系統設計原則

基于ZigBee的無線傳感網絡的開發目的是為了滿足企業日常工作的實時監控，保障生產和防止不安全事故的發生。對于系統的設計原則主要有如下幾條：

（1） 實用性。實用性強是系統最核心的一個性能需求。所以無線傳感網絡的設計必須要先考慮其實用性，必須緊緊圍繞企業的日常監控工作展開，不能有和企業的日常監控不相關的內容。

（2） 易用性。一個系統的實用性再強，但是監控界面不友好，也不能稱之為一個好的無線傳感系統。所以實用性后就需要考慮易用性，要為無線傳感網絡設計一個簡潔、流暢的監控界面。這樣的界面易于上手，使得用戶很容易掌握操作方法。

（3） 兼容性。兼容性同樣非常重要，好的兼容性能夠使得無線傳感網絡和企業的其他網絡以及系統實現有效的信息傳輸和共享，如果沒有兼容性，無線傳感網絡就會變得孤立。所以無線傳感網絡對于兼容性要求較強，需要在設計無線傳感網絡時充分考慮接口問題和其他網絡實現接口的對接。

（4） 可擴展性。開發無線傳感網絡，不是考慮到網絡當前運行情況良好就可以了，還要分析如果網絡升級或者擴展功能，是否還能運行良好，也就是網絡需要具備可擴展性的需求。

1.2 總體設計

本文設計的基于ZigBee的無線傳感網絡主要由監控節點和監控中心兩部分組成，如圖1所示。從圖1可以看出系統的總體結構中主要包括的是通信模塊和監控中心兩部分，其中通信模塊主要包括傳感器節點和協調器，而監控中心主要是嵌入式網關。監控節點主要是通過無線傳感器獲取監控信息，然后通過協調器和監控中心的嵌入式網關連接起來。本文設計的無線監控系統的架構是基于簇的分層結構，這種分層結構具有天生的分布式處理能力。其中簇頭就是協調器，傳感器節點就是簇成員，它們將獲取的信息經過簇頭的融合后，直接將融合后的數據傳送給監控中心。無線傳感器和協調器之間的數據傳送都是通過ZigBee無線通信技術完成的。

2 硬件的設計

基于ZigBee的無線傳感網絡的主要硬件部件包括：CPU、無線傳感器、通信數據模塊、業務數據處理模塊等。

2.1 無線傳感器

在選擇無線傳感器時，要綜合考慮無線傳感器的價格、提議和能耗等因素。在經過比較后，選擇使用KGS?20型號的、低功耗的無線傳感器，此無線傳感器是由二氧化錫制作的半導體型氣體傳感器。另一方面，此傳感器具有體積小、使用簡單、對環境變化的響應時間快等優點。它的反應時間不超過20 s，復位時間不超過30 s，并且對工作的溫度和濕度沒有較高要求，在復雜環境中照常使用。該無線傳感器是低功耗的，靜態功耗為150 mW，產生報警時的功耗也僅為300 mW。該無線傳感器是用直流電源的方式供電，需要設定的電壓范圍在3～5 V之間。

2.2 數據通信模塊

在基于ZigBee的無線傳感網絡中，數據通信模塊起到了連接和通信的作用。主要負責系統中的主要節點的通信、控制信號交換和數據信息傳輸。因為系統使用的主要是無線通信，在設計數據通信模塊時最主要的就是要降低系統的能量耗損。所以在設計數據通信模塊時，需要考慮的是數據通信芯片的發射功率、數據率、調制模式等問題。通過綜合考慮，選擇了Nordic公司的nRF2401芯片作為無線傳感網絡的主要數據通信的節點芯片。

nRF2401的成本較低，它屬于射頻系統級芯片。它的功耗小、外圍元件少、體積小。nRF2401的工作頻段是2.4～2.5 GHz，符合通信協議ZigBee的要求。nRF2401有較強的抗干擾能力，如果需要在通信模塊使用跳頻技術，nRF2401可以通過降低發射功率的方式減少能耗。nRF2401還能實現對數據信號的打包、調制和編碼，能夠實現較強的數據信號處理。nRF2401芯片的數據通信方式就是通過將數據轉換為RF信號，然后通過I/O匹配電路將轉換完成的RF信號送入天線，這樣就完成了數據信號的發送。

2.3 數據處理模塊

數據處理模塊是基于ZigBee的無線傳感網絡的核心模塊，系統幾乎所有的工作都需要數據處理模塊的支持，例如：任務調度、信息控制、通信、數據傳輸和共享等。所以，首先要為數據處理模塊選擇一個合適的處理器，在本文中選擇AT?mega128L作為數據處理模塊的處理器。ATmega128L處理器的主要部件是32個通用工作寄存器，128 KB的可編程FLASH，4 KB的E2PROM，53個通用I/O口線，4 KB的SRAM，8通道10位ADC，實時時鐘RTC，SPI串行端口，2個USART，可編程看門狗定時器，JTAG測試接口。在數據處理模塊中有一個核心裝置就是數據處理模塊的控制芯片，該芯片的主要作用就是負責協調整個數據處理模塊各個部件的協調工作。該控制芯片還能通過I/O接口獲取當前傳感器輸出的電壓值來感知監控環境的變化情況，如果物流中心的環境發生變化，例如出現火災等情況，物流中心的現場環境就會出現煙塵濃度超過平時數值的情況，如果濃度超標，就通過無線傳感器傳輸的終端進行報警。

2.4 電源模塊

基于ZigBee的無線傳感網絡若想正常工作，就必須有電源的支持，所以電源對于系統來講非常重要，是系統的所有硬件設備能正常工作的最基本保障。因此，電源模塊的設計非常重要。因為在系統中使用的無線傳感器是低功耗的，所以如果無線傳感器是處于空閑狀態，就可以利用未處理的I/O直接驅動，這時就不需要額外的電源支持，進一步降低了能量的損耗。

但是，在無線傳感器處于工作狀態時，就必須使用外接電源。電源的選擇一定要慎重，因為電源的壽命直接決定了無線傳感網絡的壽命。所以，對于整個硬件系統來講，最珍貴的資源是電源，良好的電源模塊是網絡良好運行的前提。因為本文選擇的無線傳感器的體積較小，所以電源模塊也相應的要選擇微型電池。本文選擇CR2032紐扣電池，該型號的紐扣電池的工作輸出電壓為2～3 V，它能提供大約200 mA·h的電流量。CR2032的放電較為平穩，所以它的使用壽命較長，比較適合使用在本文設計的基于ZigBee的無線傳感網絡中。

3 軟件的設計

基于ZigBee的無線傳感網絡想要正常工作，只有硬件是不行的，還需要進行相應的軟件設計才行。

3.1 無線傳感器節點軟件設計

本文設計的無線傳感器節點的主要作用是對企業日常工作環境的變化進行監測，例如企業發生火災導致環境的濃度發生變化等。需要將采集到的數據信息通過數據通信模塊上傳到監控中心，所以無線傳感器節點的設計是整個無線傳感網絡的核心內容。無線傳感器節點的工作模式主要有：睡眠模式、工作模式和喚醒模式。無線傳感器節點的簇節點工作流程如圖2所示。

從圖2可以看出，傳感器節點在開始工作后，首先無線傳感器的節點開始初始化，而后無線傳感器的節點就進入低功耗模式，即睡眠狀態。在這個狀態下，微處理器是不工作的。而此時，系統的SPI端口和中斷系統卻照常處于工作狀態，它們隨時會接收系統發送的中斷請求。由于數據采集工作必須在一定時間內進行，超過指定的時間范圍，就必須將所采集到的數據進行發送，在這種情況下，傳感器節點處于工作模式，完成數據采集并且將數據傳送至監控中心后，無線傳感器節點將重新進入低功耗模式。在該模式下，傳感器節點進行循環工作，從而保證物流中心日常工作環境的正常運轉。

3.2 協調器軟件設計

在本文的軟件設計中，基于ZigBee的無線傳感網絡的主要核心是協調器節點的軟件設計。協調器節點首先初始化，然后協調器會自動地發送一個廣播包給網絡中的無線傳感器，廣播包中有該協調器對應的簇的網絡ID，當這個廣播包發送后，ZigBee無線網絡中的協調器的任務就是等待該簇中無線傳感器節點的響應。當發送廣播包后，如果在一定的時間內沒有無線傳感器終端節點響應，就說明沒有新的無線傳感器節點要求加入該協調器對應的分布式的簇，則協調器節點繼續執行等待命令；如果無線傳感器節點對協調器的廣播包發出響應，說明有無線傳感器節點要求加入該協調器對應的簇，這時協調器就可以對這個無線傳感器節點進行信息確認，并且協調器會將該無線傳感器節點的信息進行統計，然后給該無線傳感器分配一個該簇中的ID號。

協調器不僅需要和無線傳感器進行數據通信，還需要和監測中心進行通信，主要是向監控中心發送數據和接收監控中心的數據并將這些數據進行分析和融合。協調器和監控中心的通信是通過串口協議完成的，協調器從監控中心那里接到第一個應用連接信息，然后向監控中心發送確認信息，監控中心接收到協調器的確認消息后，會對協調器發送獲取無線傳感器節點信息的請求，協調器將向監控中心發送無線傳感器節點的信息。若協調器接收到監控中心發送的獲取無線傳感器節點數據信息的請求后，協調器將該請求消息進行處理，然后將接收到的無線傳感器節點采集的數據信息打包通過串口發送給監控中心。如果監控中心給協調器發送資源控制信息，協調器同樣會將這些信息轉發給各個無線傳感器節點，控制無線傳感器節點執行相應的動作。

4 結 語

無線傳感網絡是近幾年通信等各個領域研究的熱點，ZigBee 技術屬于短距離的無線通信技術，由于其成本低、功耗低、傳輸時延低，所以其在近些年廣泛應用于新興的物聯網領域。本文設計了一個基于ZigBee的無線傳感網絡，利用ZigBee技術對企業的工作環境進行無線監控，設計了無線傳感網絡的總體架構、硬件和軟件。通過本系統可以實現對企業日常工作環境進行無線監測，如果企業的環境發生了變化，例如環境中煙塵的濃度超過設定的標準，就會向監控中心發送報警信號。系統如果能在物流中心進行實施，會對企業的日常工作環境有較強的保障作用。

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