基于ZigBee無線環境監測與定位系統設計

唐陽陽 劉璇 谷洋洋 宗繼燁 李晨旭

【摘?要】本文在現有研究基礎之上，結合Arduino開發優勢及ZigBee無線通信技術特點，對提升無線傳感網絡節點的通用性和靈活性及降低節點的成本和能耗進行了研究。

1.引言

隨著現在高科技的進步，人們的生活水平有了很大的提高，對環境的要求也越來越高，環境問題開始得到社會的重視。目前，環境監測發展的一個重要方向是開發適合中國國情、價格低廉的遠程監測系統，利用無線傳感網絡之間可以相互感知、采集、存儲和處理監測信息數據，信息經過節點的計算和處理后通過無線通信的數據流傳遞方式傳送給用戶系統構成 WSN 體系結構，如下圖所示。

基于 ZigBee 無線傳感網絡節點定位技術，在軍事探測、環境監測、智能家居和醫療護理等領域中有著非常大的應用前景，在監測環境的同時對無線定位做了進一步的研究，結合定位算法提高了環境監測的精度，由于其具有低功耗、低速率、低成本、可靠性強、時延短以及網絡容量大等優勢，被廣泛應用于機器人、煤礦、地下停車場以及現代樓宇等生活服務中。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術，利用ZigBee對定位系統近一步設計。

2. 基于ZigBee無線環境監測與定位系統設計系統設計

本文結合Arduino開發優勢及ZigBee無線通信技術特點，對提升無線傳感網絡節點的通用性和靈活性及降低節點的成本和能耗進行了研究。本文所進行的研究工作主要包含以下幾點：

一是研究ZigBee通信協議及其組網技術，并在此基礎之上設計課題所需的通信協議。

二是研究設計及實現基于Arduino技術的ZigBee無線傳感網絡節點的硬件系統，結合ZigBee無線傳感網絡節點需求選擇合適的Arduino開發板，并以該開發板為設計原型進行功能模塊的電路設計。對于無法參考Arduino開發板進行設計的功能模塊，再以XBee ZB模塊及外圍電路設計、DS2438芯片及外圍電路設計作為補充完善節點硬件系統設計。此外，在節點電路原理圖設計完成后，對節點PCB板進行了合理的設計和制作。

三是在無線傳感網絡節點通信協議及硬件設計的基礎之上研究設計及實現該無線傳感網絡節點的軟件系統，通過設計合理的軟件工作流程、編寫高效的信息采集處理及無線通信程序，實現節點信息采集及信息傳輸的智能化。

3.結論

本文完成了對基于Arduino的ZigBee無線傳感網絡節點的設計和實現，進而從通信功能角度及傳感數據采集角度以溫度數據監測為例對節點的實際功能進行了測試，并對多節點組網及組網后形成的小型無線傳感網絡系統的功能進行了測試，此外還對節點的能耗進行了測試及分析。以上測試結果驗證了本課題設計方案的可行性，并以新興技術Arduino與無線傳感網絡節點開發的結合為無線傳感網絡節點的設計及應用提供了可參考的研究方法。

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經費支持：

2019年衢州學院大學生創新創業訓練計劃項目（Q19X061）

（作者單位：衢州學院?電氣與信息工程學院）