一種無線傳感器網絡系統的設計

李 仁，曲令晉

(河南工業職業技術學院機電工程系，河南南陽 473009)

0 引言

無線傳感器網絡(WSN:Wireless Sensor Network)是一種新型的一體化智能監控網絡，它融合了計算機技術、通信技術和傳感器技術，現已成為一個熱門的研究領域。與傳統的監測網絡相比，無線傳感器網絡以數據為中心，具有自組織性等特點。現代監控網絡對功耗、成本、安全等方面提出更加嚴格的要求，ZigBee技術的出現為無線傳感器網絡的發展提供了契機［1］。目前國內外關于無線傳感器網絡技術的研究主要分布在對無線傳感器網絡基礎理論的研究;對無線傳感器網絡體系結構的研究;無線傳感器網絡仿真環境和無線傳感器網絡工程測試床的研究;以及無線傳感器網絡應用方面的研究等［2］。無線傳感器網絡已經與人類生活息息相關，在未來必將更加深遠的影響人類的生活。本文首先提出無線傳感器網絡的整體設計，并選擇一款合適的芯片開發了一種基于ZigBee的低成本的無線傳感器網絡，并設計其監測軟件，最終實現集數據采集與監測分析于一體的無線傳感器網絡系統。

1 無線傳感器網絡的整體設計

選擇無線微控制器芯片JN5139，設計系統無線傳感器控制模塊外圍電路，構建出Zigbee無線傳感器網絡，實現傳感器節點的數據采集和Zigbee網絡的數據傳輸。并設計一個網絡監控軟件，實現無線網絡工作狀態和傳感器節點數據采集工作的實時監測控制。

1.1 系統結構圖

圖1 系統結構圖

Zigbee網絡具有三種節點:網絡協調器(Coordinator)、路由節點(Router)、終端節點(End－Device)［3］。網絡協調器控制整個網絡的網絡狀態和接收節點采集信息，并通過RS232接口發送給PC軟件分析處理。路由節點負責通信路由，終端節點負責具體數據的采集。其中終端節點需要將傳感器所采集到的數據通過路由節點發送到網絡協調器，最終發給PC。系統結構圖如圖1所示。

1.2 硬件設計框圖

網絡分為子節點和主節點，不過這兩者的硬件設計相差不大。圖2是網絡子節點硬件框圖，圖3是網絡主節點硬件框圖。子節點包含功能模塊以采集數據，而主節點主要是協調整個網絡的運行，接收子節點發送來的數據，并將其發送給監測軟件。

圖2 子節點硬件框圖

圖3 主節點硬件框圖

1.3 JN5139外圍電路

JN5139可以用來構建尺寸小巧、低成本的無線收發器電路，高度的集成化設計保證了其實現大多數傳感器和控制應用只需擴展最少的外圍部件，無需采用高級的PCB技術。

JN5139需要由16 MHz的參考時鐘用于250 kbps數據的收發。JN5139已經集成了一個16 MHz的晶振時鐘，晶體接在XTALOUT和XTALIN引腳之間即可。如果要擴展外部存儲設備或功能設備也可以通過SPI端口實現片選。如圖4所示。

圖4 JN5139外圍電路

1.4 功能模塊

功能模塊所設計的傳感器是溫濕度傳感器SHT11，主要用來測量目標對象的溫度和濕度，SHT11與JN5139模塊的連接如圖5所示。SHT11的SCK引腳與Jn5139的DIO10相連，DATA引腳通過R3與JN5139的DI08相連。需要注意的是，在SHT11使能時，它們連接的DIO線的其他功能將不再有效。

2 軟件設計

圖5 SHT11接口電路

2.1 主節點流程圖

網絡協調器主要實現網絡的組建、管理、數據的處理等任務。作為無線傳感器網絡的核心，網絡協調器起著至關重要的作用。主節點程序流程圖如圖6所示。

圖6 主節點流程圖

2.2 子節點流程圖

當子節點完成加入網絡工作后，其父節就會自動給其分配短MAC地址、網絡短地址以及網絡協調器規定的拓撲參數。另外當子節點收到網絡協調器要求其離開網絡的指令，該子節點只用向父節點發出請求就可以了。子節點程序流程圖如圖7所示。

2.3 協議棧

協議棧是用于實現Zigbee協議的一組軟件，能夠減少開發時間和難度［4－5］，系統程序設計參照IEEE802.15.4/Zigbee，采用分層設計思想，主要分四層:物理層、MAC層、網絡層和應用層。圖8是發送數據流程圖，圖9是接收數據流程圖。

圖7 子節點流程圖

圖8 發送數據流程圖

圖9 接收數據流程圖

3 測試分析

3.1 監測軟件結構

監測軟件負責接收從Zigbee無線傳感器網絡協調器發送過來的現場所采集的數據，并按照傳感器節點的短地址和相應的測點號，提取相關的數據并及時的處理，然后保存到數據庫中;同時狀態監測模塊可以動態顯示數據的實時曲線，并進行報警等處理;監測中心也可以根據具體的需求下發控制命令，由網絡協調器傳送到現場節點進行處理、執行。監測軟件的主要功能是數據通訊、狀態監測及報警處理、數據存儲、網絡管理等。圖10是監測軟件結構圖。

3.2 系統監測測試

在監測軟件中，常常需要將傳感器節點采集的數據以實時曲線的形式向用戶展示，方便用戶觀察無線傳感器網絡整體運行情況。

圖10 監測軟件結構圖

系統是通過RS232串口接收無線網絡協調器發送來的數據。在所有工作準備就緒之后，啟動監測程序，完成用戶權限認證，程序開始接收從串口接收來的數據并由數據處理模塊完成處理，然后程序就將數據信息以曲線的形式動態顯示在程序界面上，并顯示檢測點的編號和相應數據，實時自動更新數據和畫面。圖11是傳感器節點實物圖。

圖11 傳感器網絡節點實物

網絡協調器是通過輪詢的方式接收傳感器節點發送來的數據，監測軟件主界面就可以觀察到這些數據的動態曲線變化。測試觀察，在不加熱的情況下，室內的溫度還是比較穩定的，傳感器采集到的溫度數據是和標準溫度計相比基本是一致的。經過多次試驗，最終的結果都是相似的，可見無線傳感器網絡的數據采集、數據傳輸以及監測程序的數據處理等系統性能是比較穩定可靠的。圖12是監測軟件運行界面截圖。

圖12 監測軟件運行界面

4 結論

本文實現了一種Zigbee技術的無線傳感器網絡系統，其中包括傳感器節點、匯聚節點設計和系統監測軟件設計。通過實驗室應用測試分析，本系統設計是穩定可靠的。雖然本系統能夠滿足Zigbee無線通信硬件要求，但本系統硬件部分功能還是比較單一，如果應用到要求比較復雜的地方，就必須在硬件和軟件系統中加入相應的模塊，增加Zigbee無線網絡節點功能模塊和監測軟件的功能，以便滿足實際的需要。

［1］紀晴，段培永.基于ZigBee的無線傳感器網絡協議研究與實現［J］.傳感器世界，2007，13(10):30－35.

［2］李珊倉，張克旺.無線傳感器網絡原理與應用［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［3］劉勝榮，于軍琪.基于超寬帶技術的無線傳感器網絡［J］.傳感器世界，2006，12(5):32－35.

［4］王偉鋒，李平，李昭.無線傳感器網絡路由協議［J］.電子產品世界，2006(8S):68.

［5］掌明.無線傳感器網絡體系結構與路由協議研究［J］.科技廣場，2008(9):19－21.