基于Arduino控制的ZigBee無線傳感網絡節點分析

李珊珊

（懷化學院，湖南 懷化 418000）

基于Arduino控制的ZigBee無線傳感網絡節點分析

李珊珊

（懷化學院，湖南 懷化 418000）

隨著現代無線傳感網絡的飛速發展，傳統無線傳感網絡節點的靈活性、可變度以及通用性均表現出不同程度的不足。因此，在現有無線傳感網絡節點的研究基礎之上，可以結合新興技術Arduino的開發優勢及ZigBee無線通信技術的特點對提升無線傳感網絡節點的通用性、靈活性以及降低節點的成本和能耗開展研究。文章不僅從系統架構以及功能結構方面進行了優化設計，還盡可能降低無線傳感網絡節點的成本和功耗，具有一定實際的研究意義和價值。

無線傳感網絡節點；Arduino；ZigBee

無線傳感網絡節點是組成無線傳感網絡的基本單元，因此節點的工作性能及成本是整個無線傳感網絡優劣的關鍵因素。本文在現有的研究成果之上，結合了新興技術Arduino的優勢及ZigBee無線通信技術的特點，對提升無線傳感網絡節點的靈活性、通用性以及降低成本和能耗進行了深入研究，并理論分析設計方案的可行性，為無線傳感網絡節點的設計及應用提供了一種可參考的研究方法。

1 Arduino技術背景

Arduino是目前流行的開源硬件和開發平臺，也是硬件開發的一種趨勢。Arduino的簡單開發方式，使得開發者能更快捷地完成項目開發，并且大大節約學習的成本和縮短開發的周期。正因為Arduino的各種優勢，越來越多的專業硬件開發者開始選用Arduino來開發項目和產品，同時軟件開發者也選用Arduino進入硬件、物聯網等領域進行開發，甚至在各大高校很多電子類的專業也都開設了Arduino相關課程學習。Arduino主要由兩部分構成：（1）各種類型的Arduino電路板的硬件資源，（2）Arduino編程語言以及IDE編程環境的軟件資源。目前，Arduino可為開發者提供多種多樣的Arduino的開發板以適用不同系統的開發硬件資源，要使用Arduino技術進行系統開發，其首要任務就是進行硬件的選型。基本上官方提供的開發板，其電路圖以及PCB圖都是開源可查的。不同開發功能的Arduino開發板都可使用同樣的開發語言，并使用統一的電源接口、USB接口、數模接口等等這些對外接口，因此，鑒于Arduino UNO R3開發板的結構與特點，此次設計的硬件系統處理器模塊可選用Arduino UNO R3作為開發板。

2 節點設計方案研究

2.1 硬件設計構成

無線傳感網絡節點針對不同的應用背景或者相同應用背景的不同工作角色，其功能上都會存在一定地差別，但它們的基本結構卻都是相同的。這一基本結構大致可分為4個部分（見圖1），它們是能量模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。其中，處理器模塊又可分為處理器、存儲器及高層應用3部分；傳感器模塊又可分為傳感器和A/D轉換器兩部分組成；無線通信模塊又可分為介質訪問、物理層和射頻3部分組成[1]。若設計出合理的硬件體系結構，會使傳感器接口電路、Arduino、電源管理系統等有效地結合起來，能使得無線傳感網絡節點具有更佳的性能指標。

圖1 硬件系統整體

2.1.1 傳感器模塊

主要功能是進行數據的采集和處理。模塊內所需的傳感器其類型可根據用戶需要監測的信息類型來不同選擇。

2.1.2 處理器模塊

主要是網絡節點系統的控制部分。作為無線傳感網絡節點的核心功能模塊，依靠MCU和串口USB轉換完成控制各設備的數據接收、數據存儲和數據處理，實現傳感器模塊的數據信息和無線通信模塊的信息之間的信息互換和溝通。

2.1.3 無線通信模塊

主要是實現節點設備之間的信息通訊。該模塊是無線傳感網絡節點能量的主要功耗區，無線通信模塊的工作模式與能耗情況，會影響到整個無線傳感網絡的工作性能和使用壽命。

2.1.4 能量模塊

主要是為網絡節點提供工作所需的能量動力。一般情況下，大多選擇方便快捷的小型蓄電池作為網絡節點的能量供應和來源。

2.2 軟件設計構成

基于Arduino控制和ZigBee技術的無線傳感網絡節點的軟件系統設計是實現功能的重點和關鍵。此次基于Arduino控制的ZigBee無線傳感節點設計將分為4個方面進行，軟件系統整體構成設計、通信系統數據結構設計、各功能模塊的軟件設計、上位機軟件開發等等。一個合理的軟件工作流程，是靠數據采集的編寫、處理和數據以及無線通信程序和電源管理程序完美搭配，它會使得無線傳感網絡節點實現高效的數據采集、數據傳輸，對于節點電源管理的智能性將更勝一籌。

無線傳感網絡軟件系統的設計可分為節點軟件與上位機軟件。其中無線傳感節點軟件包括終端節點軟件和匯聚節點軟件，終端節點軟件主要實現的功能是對不同類型的傳感器數據進行采集、處理，以及對電池的電量信息進行采集處理、依照最先制定好的通信協議將采集到的傳感信息和電池電量信息以無線通信形式進行傳輸；匯聚節點軟件主要實現的功能是節點間組網、搜索設備、向接收終端節點發送傳感數據和電池電量信息數據、根據之前制定好的通信協議將接收到的傳感器數據以及電池電量信息以串口的方式傳輸[2]。上位機軟件功能是負責讀取出各串口接收到的數據信息，然后按照選定的通信協議來分析所收集的各類數據，然后進行相應的數據處理和存儲，最后以用戶需要的形式直觀的展示數據信息。

3 關鍵技術與可行性分析

3.1 節點實現關鍵技術

無線傳感器網絡節點是當下信息領域的研究熱點，涉及多門學科相互交叉的研究領域，有著眾多關鍵技術有待發現和研究，下面僅列出部分關鍵技術。

（1）研究ZigBee通信協議及其組網技術，設計出合理的通信協議，是實現無線傳感器網絡保障通信的基礎；（2）結合ZigBee無線傳感網絡節點的需求，選擇出合適的Arduino開發板，并以該開發板為設計原型進行各功能模塊的電路設計將會直接決定網絡節點的性能；（3）設計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來保證網絡節點的正常組網和運行；（4）在無線網絡節點正式組網運行之前，有必要對節點們進行相關調試和測試，這是保證節點組網后整個無線傳感網絡運行質量以及節點可靠性不可或缺的步驟。

3.2 可行性分析

（1）無線傳感網絡節點雖然有著不同應用場景以及不同工作角色，但節點的基本結構是相同的，都大致可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊，這為合理實現硬件設計奠定了基礎[3]；（2）結合Arduino開發板的工作原理、繼電器控制電路通斷原理、模塊外圍電路、多電源自動切換供電原理等各項理論，可理論設計出基于Arduino的ZigBee無線傳感網絡節點的硬件系統，使得新設計的節點擁有豐富的接口、簡易的編程環境和極大的開發自由度；為節點的軟件系統設計提供了硬件支持和理論依據；（3）采用電子積木形式的開發理念，極大地提高了開發的靈活性，可成功解決不同傳感器接入標準不一致的問題。

4 結語

為滿足日益發展的無線傳感網絡需求，在已有傳感器技術和ZigBee研究基礎上，可以將結合新型技術Arduino的開發優勢和ZigBee的技術優勢，設計出一種基于Arduino技術的可應用在物聯網的無線傳感網絡節點，使它與傳統節點相比更具有實用性、易用性和可擴展性，同時提升無線傳感網絡節點的通用性和靈活性，并且進一步降低節點的成本和能耗。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，同時也極大地擴展了無線傳感器網絡的應用領域。

[1]張雁琳.基于Arduino的ZigBee無線傳感節點的硬件設計[J].電子設計工程，2015（24）：162-165.

[2]戴由旺.基于ZigBee的無線智能傳感節點設計與實現[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]張少軍.無線傳感器網絡技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

Analysis on ZigBee wireless sensor network node based on Arduino control

Li Shanshan
（Huaihua University, Huaihua 418000, China）

With the rapid development of modern wireless sensor networks, the flexibility, variability and commonality of nodes in traditional wireless sensor networks show varying degrees of insufficiency. Therefore, on the research basis of existing wireless sensor network node, we can combine with new Arduino technology development advantages and characteristics of ZigBee wireless communication technology to study how to improve the generality and fl exibility of wireless sensor network node and cut its costs and energy consumption. The article not only from the system architecture and functional structure of the optimization design, and as far as possible to reduce the cost and power consumption of wireless sensor network node, which has certain practical signi fi cance and value for research.

wireless sensor network node; Arduino; ZigBee

李珊珊（1981— ），女，湖南懷化。