基于ZigBee協議棧的無線環境監測系統設計

楊普松

摘 要：文章提出一種基于ZigBee協議棧的無線環境監測系統設計方法。該無線環境監測系統的硬件部分由信息采集單元、信息處理單元、通信單元和電源單元這四部分構成；軟件部分以ZigBee通信協議為基礎構建了一個無線通信網絡。該無線環境監測系統具有自主組網、自動路由的功能優勢，節點能量消耗低，并且無線傳感節點可自由加入。

關鍵詞：ZigBee協議棧；環境監測；自動組網

1 概述

目前，國內外已經普遍將無線傳感網絡用于環境監測方面，通過部署大量無線傳感節點以無線通信的形式構成自組織無線通信網絡。文章提出一種基于ZigBee協議棧的無線環境監測系統的設計方法。

2 無線環境監測系統的硬件構成

無線環境監測系統中的無線傳感節點主要由信息采集單元、信息處理單元、通信單元和電源單元這四部分構成。按照ZigBee協議棧構建無線傳感網絡，則網絡中的節點按照功能劃分可分為三種類型的節點，如圖1所示，顏色最深的節點為協調節點Co-ordinator，顏色較淺的節點為路由節點Router，顏色最淺的節點為終端節點End Device。以2.4GHz載頻作為無線環境監控系統的通信頻段，利用終端節點進行環境信息采集，利用路由節點對接收到的環境監測信息進行轉發，利用協調節點作為橋梁與計算機交互數據。

2.1 信息采集單元的設計

文章將溫度作為監測對象，采用DS18B20溫度傳感器作為無線傳感網絡的溫度信息采集單元，該傳感器采用T0-92的封裝形式，溫度監測的范圍為-55℃-120℃，溫度精確度可達0.005℃。DS18B20可以將輸出的引腳與A/D轉換器相連。

2.2 信息處理單元的設計

信息處理單元為ARM系列的LPC2138嵌入式處理器，該處理器內部資源豐富，包括SPI、GPIO、RTC、TIMER、PWM、ADV等，很方便對節點的工作方式、發射功率、接收靈敏度、信息傳輸與處理等進行控制，同時可以對節點電源進行動態管理，實現節點能耗的控制。

2.3 通信單元的設計

通信單元采用的芯片型號為JN5139，它兼容IEEE 802.14.4無線通信協議和IEEE 802.15.4的2.4GHz收發器，其內部結構包括192KB FLASH，能夠內置完整的ZigBee協議棧。通信單元與信息處理單元通過SPI接口連接，實現數據的交互。

2.4 電源單元的設計

電源單元的供電電路采用的是DC-DC MAX756模塊，MAX756是性能優越的3.3V/5V的升壓轉換模塊，其最低的輸入電壓可至0.7V，開關頻率可達500KHz，該模塊也可以對電池的容量進行實時監測。

3 ZigBee協議棧的自動組網的實現

ZigBee網絡包括3種拓撲結構，如圖1所示從左到右分別為星形、樹形和網形。在覆蓋范圍內，采用AODV路由協議查詢信息接收節點和信息傳輸路徑，直至搜索到合適的節點和路徑，得到應答信號，最后應答信號會反饋到信息發送節點，并保留該路由信息。系統運行一段時間后，若該條路由信息失效，則搜索新的路由信息，從而保證信息傳輸路徑的有效性。

3.1 無線環境監測系統網絡的構建

在基于ZigBee協議棧的無線環境監測網絡中，只有協調節點能夠構建無線通信網絡，網絡建立的過程是通過原語完成的，具體方法如下所述：在協調節點的應用層對NLME_NETWORK_FORMA TION.request原語進行調取，下達構建網絡的指令，該條指令被發送到網絡層，向MAC層下達信道能量掃描的指令，調用MLME_SCAN. Request 原語，搜尋到能量值低于預設值的信道，并將掃描結果標記為可用信道，可以使用這些可用信道尋找通信節點，從而搜尋到一個最優信道，該信道中包括最少的通信節點，然后任意選取一個不發生沖突的PAN，并在MAC層標記該ID信息，通過ID信號可以發送MLME_START.request 原語，得到PAN ID和信道掃描結果，并使用confirm原語將掃描結果通知上層。獲得PAN的使用情況后，NLME利用NLME_NETWORK_FORMA TION.request原語向應用層下達構建網絡的指令。

3.2 無線傳感節點的加入

通過上述方法構建無線環境監測系統網絡后，終端節點和路由節點可以通過關聯法的方式加入協調節點構建的ZigBee網絡，具體過程如下所述：（1）協調節點調用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語，網絡層接收到該條指令后，會在MAC層進行掃描，當MAC層結束掃描，就會發送MLME_SCAN.confirm原語向網絡層反饋該信息，網絡層發送NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語向應用層反饋該信息，應用層根據該信息調用NLME_JOIN.request原語，重新掃描可加入的無線傳感節點。如果無線傳感節點成功加入網絡，網絡層接收MLME_ASSOCIATE.confirm原語，將包括該無線傳感節點的16位的邏輯地址，在網絡層中設置與其它節點的關系，同時在網絡中加入該新的無線傳感節點。（2）假設無線傳感節點通過路由的形式加入到無線環境監測網絡中，它的應用層將向網絡層發送NLME_STAT_ROUTER.request原語，接著網絡層向MAC層發送MLME_STAT.request原語，網絡層接收到MLME_START.confirm原語后發送同樣狀態值的MLME_START.ROUTER.confirm原語。

4 結束語

為了適應當前環境檢測的需求，文章提出一種基于ZigBee協議棧的無線環境監測系統設計方法，對硬件和軟件的設計方法進行了詳細闡述。與傳統的系統相比，本系統具有自主組網、自動路由的功能優勢，節點能量消耗低，并且無線傳感節點可自由加入，從而實現了更節能環保、更智能的環境監測。

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