無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙星

（陜西財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過快速發(fā)展，目前主要通過紅外、藍(lán)牙、Wifi以及ZigBee等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線通信。ZigBee技術(shù)則相對具有低功耗、低成本以及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，具有巨大的發(fā)展前景。

1 灌溉系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在該整體架構(gòu)部署中，種植片區(qū)內(nèi)部署的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)由感測節(jié)點(diǎn)、執(zhí)行節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)管協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。其中，感測節(jié)點(diǎn)分為兩部分：一部分節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集種植區(qū)環(huán)境信息；另一部分節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集本地電磁環(huán)境信息，從而保障感測節(jié)點(diǎn)的安全運(yùn)行。執(zhí)行節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)控制電磁閥的開合；路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)提供路由服務(wù)；網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，并且具備遠(yuǎn)程交互功能。通過這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓各感測器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息，由網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上傳至主控中心，在服務(wù)器內(nèi)完成數(shù)據(jù)的分析處理及存儲，根據(jù)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果來進(jìn)行相應(yīng)決策，從而制定灌溉計(jì)劃并發(fā)出命令。系統(tǒng)用戶可以利用終端設(shè)備登錄控制平臺，對系統(tǒng)狀態(tài)、工作計(jì)劃進(jìn)行操作。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件選擇

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用CC2530芯片來搭建控制器模塊。CC2530芯片采用8051MCU，具備2.4GHz的視頻收發(fā)器核心以及IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。作為TI公司的第二代嵌入式ZigBee應(yīng)用片上系統(tǒng)，CC2530芯片具有高性能、低功耗、小體積等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的要求。TI公司的無線解決方案不僅使各制造商專注與高性能、小體積的無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)，還免費(fèi)提供Z-Stack協(xié)議軟件等軟件工具，因此采用CC2530芯片來作為無線通信設(shè)備，具有很高的性價(jià)比。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局

由于灌溉系統(tǒng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中擁有大量的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此必須設(shè)計(jì)合理的節(jié)點(diǎn)部署方案來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積，提高網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量。目前，通常采用網(wǎng)格型部署方式，其又包括四邊形部署方案和蜂窩形部署方案。

圖1 四邊形和蜂窩形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

綜合考慮發(fā)現(xiàn)，蜂窩型節(jié)點(diǎn)部署方案具有更好的網(wǎng)絡(luò)連通性。因此本系統(tǒng)選擇采用蜂窩型節(jié)點(diǎn)部署方案來部署網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成無線感測器網(wǎng)絡(luò)骨干架構(gòu)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)也采用蜂窩型節(jié)點(diǎn)部署方案，根據(jù)其使用的搖臂式旋轉(zhuǎn)噴頭的灌概半徑而確定相應(yīng)網(wǎng)格尺寸。種植區(qū)農(nóng)作物生長環(huán)境感測節(jié)點(diǎn)則采用四邊形節(jié)點(diǎn)部署方案，在種植區(qū)均勻分布，從而更全面地采集信息。

2.3 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

圖2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

定時(shí)喚醒農(nóng)作物生長環(huán)境感測節(jié)點(diǎn)和本地電磁環(huán)境感測節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行感測任務(wù)，并在完成感測任務(wù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)；定時(shí)喚醒執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，查看上級路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)有無灌溉指令緩存信息，若有指令則執(zhí)行。

2.4 網(wǎng)絡(luò)路由策略選擇

Mesh型Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持的網(wǎng)絡(luò)封包路由策略有三種，分別為完全啟用路由探索、禁用路由探索以及按需啟用路由探索。路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)封包包頭所設(shè)置的路由探索域，來確定路由策略。當(dāng)路由探索域設(shè)置為完全啟用路由探索時(shí)，若路由節(jié)點(diǎn)未從路由表中發(fā)現(xiàn)封包目標(biāo)位址信息，則啟用路由探索；若無法啟用路由探索，則通過樹形層級路由算法，將該封包轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)路由探索域設(shè)置為禁用啟用路由探索時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)無法從路由表中發(fā)現(xiàn)封包目標(biāo)位址信息，則通過樹形層級路由算法轉(zhuǎn)發(fā)封包。當(dāng)路由探索域設(shè)置為按需啟用路由探索時(shí)，通過檢視封包類型從而判決出適宜的路由策略：包含設(shè)備捆綁請求的封包，會選用完全啟用路由探索策略；突發(fā)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)封包，則選用禁用路由探索策略，從而提高傳輸效率。

本文所提出的Zigbee無線感測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，選擇按需啟用路由探索作為封包路由策略，可以在一定程度上降低系統(tǒng)能耗。

3 結(jié)束語

由此通過上述的設(shè)計(jì)，借助Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)完成了對灌溉系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，充分應(yīng)用了無線網(wǎng)絡(luò)的布局，系統(tǒng)的整體架構(gòu)搭建和無線網(wǎng)絡(luò)的路由策略等，為無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)提供了一種參考。

[1]樊銳,李茹,王績一.藍(lán)牙/ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013,23(01):209-213.

[2]劉新宇,李兵,黃珊,陳鳴.一種ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)算法[J].計(jì)算機(jī)工程,2012,38(04):97-99.