基于ZigBee協議無線傳感網絡監測的節點設計

丁唯君

摘 要： 針對無線傳感器網絡技術在網絡監測中的特點，在分析ZigBee協議棧體系結構的基礎上，研究了對網絡協調器、路由器及終端節點的程序設計。針對節點計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點，本文運用了無阻塞設計等方法，實現了傳感數據的采集和傳輸。

關鍵詞： ZigBee； 無線傳感器； 節點

中圖分類號： TN 92 文獻標志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0083-04

0 引 言

無線傳感器網絡是一門獲取和處理信息的新興技術，它綜合了微電子技術、無線通信技術、嵌入式計算技術、分布式處理技術等先進技術，其主體是低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器；它能夠實時感知、監測、采集、處理和傳輸各類監測對象或周圍環境的信息，具有動態性、自組織等優點，目前正廣泛應用于各行各業。

典型的無線傳感器網絡是由匯聚節點，傳感器節點和管理節點組成。本文主要針對環保數據監測，因此在分析ZigBee協議體系結構的基礎上，在選好網絡監測的硬件后，主要針對協調器節點和終端設備節點進行程序設計。

1 ZigBee協議簡介[1]

ZigBee協議主要用于消耗低、距離短、成本低和傳輸速率不高的雙向無線通信。在IEEE802.15.4標準基礎之上建立了ZigBee協議架構，它包括MAC層、PHY層、NWK層。

Jennic公司在ZigBee協議棧的基礎上提供了Basic Operating System（BOS）。BOS調用用戶程序的接口由若干個接口函數組成。

2 無線傳感網絡監測的硬件選擇

無線傳感器網絡的重要組成部分就是無線傳感器節點，設計時需要考慮：微型化，擴展性和靈活性，穩定性和安全性，低成本，低功耗，高強壯性和容錯性等特點。為了減少外圍器件的數量， ZigBee無線處理器集處理器和射頻收發器于一體，大大降低硬件開發難度與成本。綜合考慮處理器價格、CPU處理能力、高集成度、低功耗、等因素，本文選用Jennic公司的JN5139-Z01-M00通信模塊。

3 無線傳感網絡節點設計

3.1 軟件開發平臺

節點設計中，軟件設計起著舉足輕重的作用。為了本著易用方便的原則， 用戶可以方便地從Jennic公司處拿到IEEE802.15.4MAC和ZigBee協議包，按照說明進行安裝，就可開發基于ZigBee協議的程序，調試和編譯也只需在CodeBlocks集成開發環境中進行。用戶程序被編譯成二進制文件后，通過Programmer軟件下載到JN5139的Flash中，就可以在JN5139模塊上運行。

3.2 協調器節點程序設計

ZigBee協調器節點的主要任務是建立網絡，包括以下幾步[2]：創建PAN coordinator、選擇PAN ID和coordinator的短地址、選擇射頻頻率、啟動網絡。當節點上電時，首先對設備進行初始化，以及BOS的啟動。其次將協調器作為注冊節點，并設置短地址和網絡ID，協調器選擇射頻通道后啟動網絡，同時相應終端設備或路由器申請加入網絡的要求。BOS是Jennic ZigBee協議中一個基本操作系統。同時，BOS控制ZigBee協議棧任務和用戶任務的執行。協調器接收并向串口發送數據部分程序代碼如下：

3.3 傳感器節點程序設計

傳感器節點的主要功能是采集數據并發送至協調器。節點接電、初始化后進行信道查詢，選擇合適的網絡申請加入。成功加入網絡后，讀取傳感器數據并發送至協調器。

以光強數據采集為例，介紹傳感器節點的數據采集功能。TSL2561是一個光-數字傳感器，它以I2C總線標準為依據，將光強轉換成數字信號輸出。

I2C[3-4]總線不在進行任何操作控制時，時鐘線SCL與數據線SDA總是處于高電平輸出狀態。當控制系統被操作時，I2C總線的主機將發出啟動信號，使數據線SDA由高電平變為低電平，同時時鐘線SCL也發出時鐘信號。JN5139向TSL2561發送命令的時序如圖1所示。

部分代碼程序如下：

字符數據傳送函數send_byte（），將地址或數據發送出去，等待回應，此時對狀態位進行操作（被控器無應答或損壞時，狀態變為不應答或非應答，ack=0）；發送數據正常則ack=1。

重點在于無阻塞節點的設計：

（1） AD轉換

由于從傳感器傳送到JN5139的信號都是0～2.4V標準電壓，它通過ReadADC（）函數來完成模數轉換常見的數據量。AD轉換會消耗一些時間，在轉換過程中，BOS不能執行其他任何任務，它一直在等待，因此會出現阻塞，降低了CPU的利用率。針對這種情況，本文采用無阻塞方法來執行AD轉換，即：在每一次讀取指令到來時，如果CPU處于忙碌狀態，那么自動跳到中斷，防止ADC通道阻塞，節省了時間。無阻塞流程圖如圖2所示。

（2）數據發送

傳感器節點程序的重要組成就是數據發送。它將傳感器節點的環境參數、網絡地址等重要信息以多跳方式發送給協調器節點。本設計中，采用格式更為靈活的MSG幀格式，其定義如圖3所示。

MSG服務促使一個應用剖面用自由形式的幀格式工作，它由自己的應用剖面定義，對數據格式不作要求，適合任何格式的數據傳輸。因此可以用于傳送數據量大的信息。

4 結束語

本文主要介紹了監測系統的節點設計，包括利用JN5139開發ZigBee網絡流程，協調器、傳感器、路由器等部分主要程序的設計。隨著無線傳感技術的不斷發展、不同領域的傳感器網絡的設計與實現，無線傳感器網絡技術一定有著廣闊的發展空間，促進信息技術應用更加普及。同時，隨著人們生活水平的不斷提高，對生活舒適度的不斷追求，相信在不久的將來，無線傳感器網絡將完全融入到人們的日常生活當中，為人們的日常工作服務。

參考文獻：

[1] 翟雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[2] 徐志遠，許賀楠，凌志浩. JN5121無線控制器的功能剖析及應用探討[M]. 自動化儀表，2008，5（29）：61-63.

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[5] 袁道敏，萬健，何必仕. 一種使用的ZigBee網絡路由算法[M]. 杭州電子科技大學學報，2009，2（29）：44-47.