在無線傳感網絡系統中ZigBee技術的應用設計與分析

王興國

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

在無線傳感網絡系統中ZigBee技術的應用設計與分析

王興國

（遼寧行政學院，遼寧沈陽，110161）

隨著無線網絡技術和傳感技術的發展，物聯網時代促進了無線傳感網絡監控系統的發展，監控系統已經從視頻監控的傳統模式被無線傳感網絡的監控模式所取代。無線傳感網絡監控系統中最主要的技術是ZigBee技術，ZigBee技術可以實現多個傳感器之間的相互通信。本文對無線傳感器網絡的特點和功能進行了分析，在ZigBee技術的基礎之上對無線傳感器網絡監控系統的硬件和軟件進行了設計和研究。

ZigBee技術；無線傳感器網絡；物聯網技術

1 無線傳感網絡分析

無線傳感網是把部署在目標區域內具有特定功能的微型傳感器節點，通過無線通信方式連接在一起的多跳自組織的網絡系統。當無線傳感網中的節點接收到網絡管理員的控制命令或者節點自動運行內嵌程序的時候，無線傳感網通過路由選擇、時鐘同步等模塊的功能來完成操作。無線網絡系統中的所有的節點會按照當前的控制指令或者預先的內置設置，對無線傳感網覆蓋的區域的信息進行采集，并對數據進行處理。無線傳感網涉及到傳感器節點、嵌入式計算機、網絡無線通信和分布式處理等技術，對覆蓋區域進行實時監測主要依靠集成化的微型傳感器，對監測范圍內各類信息采集是通過大量傳感器節點的相互協作完成。節點對原始信息進行一系列的處理之后會以無線通信方式，通過自組織的多跳傳感器節點網絡轉發給用戶終端，這樣實現了人腦空間、物理空間和信息空間的三元連通。無線傳感網把抽象的信息空間和客觀的物理空間聯系在一起，不僅改變了人與自然的交互方式，而且把人對自然的掌控能力也提高了一個層次。

2 基于ZigBee技術無線傳感網絡監控系統設計

2.1 系統的硬件設計

無線傳感網的體系結構主要由網絡結構、節點結構和網絡協議棧三部分組成，在無線傳感網中，按照硬件設備功能和層面的不同對網絡結構進行劃分，無線傳感網的網絡結構有傳感器節點、管理節點、通信衛星和用戶界面組成。節點結構是按傳感器節點組成元件的功能不同進行劃分的，無線傳感器節點包括傳感裝置、供電設備、通信模塊和數據處理單元。在系統中，傳感裝置功能主要是是對所監測的范圍進行信息的采集。系統中的供電設備在技術和結構上比較簡單，供電一般選擇的是常規電池，但是性能是決定整個無線傳感網傳感節點的關鍵因素，供電設備在選擇上要采用續航能力強并且性能穩定的設備，無線傳感器應用過程中的較大的瓶頸通常是供電設備的性能。通信模塊主要是連接相鄰節點的，負責網絡信息的接收和轉發，無線傳感器節點組網的成功的關鍵性因素是通信模塊的選擇。數據處理單元負責把節點采集到的信息進行處理，同時控制和調度所有的節點模塊，在無線傳感網中數據處理單元是節點的核心。無線傳感網協議棧包括物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層五個協議層，每個協議層分布負責不同的網絡通信，目前我們對五個協議層中的網絡層的路由協議研究投入相對多些。

2.2 系統的軟件設計

無線傳感網的傳感節點的操作系統一般都是選擇體積較小的嵌入式系統，ZigBee無線網絡節點軟件平臺的開發環境采用集成的（IAREW）開發環境，ZigBee無線模塊的軟件系統設計的思想是采用操作系統來構建的，采用時間輪詢機制，當系統各層在初始化階段，系統進入的功耗模式是低功耗，事件被激發后，系統被喚醒，進入到中斷處理事件，當事件結束后，系統再次進入到低功耗模式。如果發生的事件比較多，這樣系統會通過優先級的判斷來對事件進行處理。Z-Stack的軟件架構工作流程主要是首先啟動系統，然后進行驅動的初始化和OSAL初始化并對其啟動，最后進入到事件的輪詢階段。

協調器節點的軟件設計，在ZigBee無線傳感網監控系統中協調器的主要作用是建立ZigBee無線傳感網，并對ZigBee無線傳感網進行管理。當有其它的網絡節點發出請求要加入到ZigBee無線傳感網中時，協調器節點可以自動通過加入申請。協調器把終端節點傳輸過來的電壓數據收集到一起，通過串口把收集的電壓數據發送給上位機，上位機把控制命令發送給協調器，協調器在接收到命令后，把控制命令發送給每個終端節點，終端節點接收到控制命令后會采取相應的處理措施。

路由器節點軟件設計，在ZigBee無線傳感網的監控系統中，路由器節點的作用是路由選擇和數據轉發。ZigBee設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位網絡地址。ZigBee無線傳感網分配網絡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網絡中所有被分配的網絡地址都是唯一的。

終端節點軟件設計，在ZigBee無線傳感網的監控系統中，終端節點作用是采集電源電壓數據，并把電源電壓數據發送給協調器，也可以接收到協調器發送過來的控制命令，終端節點對采集/保護模塊中的繼電器和蜂鳴器進行控制，按照接收到的控制命令做出相應處理措施。終端節點以本身授權身份啟動進入網絡后，與協調器建立綁定關系，創建綁定關系后，終端節點可以在不知道發送數據的目的地址的情況下把數據發送到目的端。

上位機的軟件設計，上位機在ZigBee無線傳感網的監控系統中采用的軟件開發平臺是面向測控領域的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無線網絡傳來的被監控的電壓數據，電壓數據的顯示方式是以文本和波形圖的方式進行實時顯示的。通過對電壓警戒值和控制方式的設置，來實現無線監控系統的自動控制或者手動控制。上位機與后臺數據庫連接在一起，把系統中的電壓信息和報警信息在存儲在后臺數據庫中，這樣用戶可以很方便的通過上位機界面對報警信息進行查詢，也方便了對日后產生的監控數據信息進行管理。上位機界面軟件數據庫的設計，把數據庫加入到了上位機軟件中，后臺數據庫采用的是微軟開發的access數據庫，通過后臺數據庫對系統監測的數據進行管理。LabWindows/CVI提供了數據庫的工具包LabWindows/CVI SQL Toolkit，在工具包里包含了一個用來完成一般數據庫任務的高級函數集。

3 總結

無線傳感器網絡監控系統主要是應用ZigBee技術，采用多點融合和協同感知的網絡體系，對監控系統中的環境信息進行收集和處理。無線傳感器網絡中的ZigBee技術具有強大的信息處理能力。

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

[2]張大蹤,楊濤,魏東梅.一種低功耗無線傳感器網絡節點的設計[J]. 儀表技術與傳感器. 2016(10).

[3]馮賓.基于ZigBee無線網絡技術的現代溫室環境檢測系統研究[D]. 安徽農業大學 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