無線網絡系統的設計與實現

趙星

（陜西財經職業技術學院，陜西咸陽，712000）

0 引言

無線傳感器網絡經過快速發展，目前主要通過紅外、藍牙、Wifi以及ZigBee等技術來實現無線通信。ZigBee技術則相對具有低功耗、低成本以及安全可靠等優點，具有巨大的發展前景。

1 灌溉系統整體架構設計

在該整體架構部署中，種植片區內部署的ZigBee無線網絡由感測節點、執行節點、路由節點以及網管協調器節點構成。其中，感測節點分為兩部分：一部分節點主要負責采集種植區環境信息；另一部分節點負責采集本地電磁環境信息，從而保障感測節點的安全運行。執行節點負責控制電磁閥的開合；路由節點負責提供路由服務；網關協調器節點負責網絡構建，并且具備遠程交互功能。通過這種網絡結構，讓各感測器節點采集數據信息，由網關協調器節點上傳至主控中心，在服務器內完成數據的分析處理及存儲，根據數據的處理結果來進行相應決策，從而制定灌溉計劃并發出命令。系統用戶可以利用終端設備登錄控制平臺，對系統狀態、工作計劃進行操作。

2 系統設計

2.1 硬件選擇

本系統設計采用CC2530芯片來搭建控制器模塊。CC2530芯片采用8051MCU，具備2.4GHz的視頻收發器核心以及IEEE802.15.4/ZigBee協議。作為TI公司的第二代嵌入式ZigBee應用片上系統，CC2530芯片具有高性能、低功耗、小體積等優點，能夠滿足無線傳感網絡節點的要求。TI公司的無線解決方案不僅使各制造商專注與高性能、小體積的無線網絡產品開發，還免費提供Z-Stack協議軟件等軟件工具，因此采用CC2530芯片來作為無線通信設備，具有很高的性價比。

2.2 無線網絡節點布局

由于灌溉系統的特點，本系統中擁有大量的網絡節點，因此必須設計合理的節點部署方案來擴大網絡覆蓋面積，提高網絡通訊質量。目前，通常采用網格型部署方式，其又包括四邊形部署方案和蜂窩形部署方案。

圖1 四邊形和蜂窩形網絡設計

綜合考慮發現，蜂窩型節點部署方案具有更好的網絡連通性。因此本系統選擇采用蜂窩型節點部署方案來部署網關協調器節點和路由節點，從而構成無線感測器網絡骨干架構。執行器節點也采用蜂窩型節點部署方案，根據其使用的搖臂式旋轉噴頭的灌概半徑而確定相應網格尺寸。種植區農作物生長環境感測節點則采用四邊形節點部署方案，在種植區均勻分布，從而更全面地采集信息。

2.3 節點程序設計

圖2 節點程序設計

定時喚醒農作物生長環境感測節點和本地電磁環境感測節點，執行感測任務，并在完成感測任務后進入休眠狀態；定時喚醒執行節點，查看上級路由節點內有無灌溉指令緩存信息，若有指令則執行。

2.4 網絡路由策略選擇

Mesh型Zigbee網絡支持的網絡封包路由策略有三種，分別為完全啟用路由探索、禁用路由探索以及按需啟用路由探索。路由節點根據封包包頭所設置的路由探索域，來確定路由策略。當路由探索域設置為完全啟用路由探索時，若路由節點未從路由表中發現封包目標位址信息，則啟用路由探索；若無法啟用路由探索，則通過樹形層級路由算法，將該封包轉發。當路由探索域設置為禁用啟用路由探索時，路由節點無法從路由表中發現封包目標位址信息，則通過樹形層級路由算法轉發封包。當路由探索域設置為按需啟用路由探索時，通過檢視封包類型從而判決出適宜的路由策略：包含設備捆綁請求的封包，會選用完全啟用路由探索策略；突發性較強的數據封包，則選用禁用路由探索策略，從而提高傳輸效率。

本文所提出的Zigbee無線感測系統設計方案中，選擇按需啟用路由探索作為封包路由策略，可以在一定程度上降低系統能耗。

3 結束語

由此通過上述的設計，借助Zigbee無線網絡完成了對灌溉系統無線網絡的設計。在設計中，充分應用了無線網絡的布局，系統的整體架構搭建和無線網絡的路由策略等，為無線網絡的設計提供了一種參考。

[1]樊銳,李茹,王績一.藍牙/ZigBee無線網絡傳輸系統的設計與實現[J].計算機技術與發展,2013,23(01):209-213.

[2]劉新宇,李兵,黃珊,陳鳴.一種ZigBee無線傳感器網絡拓撲發現算法[J].計算機工程,2012,38(04):97-99.