基于zigbee技術的無線網絡監測系統的研究

◆羅莉瓊

基于zigbee技術的無線網絡監測系統的研究

◆羅莉瓊

(株洲廣播電視大學 湖南 421000)

近些年，伴隨著多種傳感器技術的不斷發展，無線傳輸網絡逐漸成為各個領域的研究重點，基于zigbee技術的無線網絡在設計方面的方案也成為了研究重點。對此，本文根據zigbee技術的特點，詳細分析zigbee技術的無線網絡監測系統的設計方案，希望可以為今后相關工作者提供理論性幫助。

zigbee技術；無線網絡；監測系統

0 引言

近些年，伴隨著無線傳感器網絡技術的研究不斷深度以及技術的不斷發展，無線傳感器網絡當中應用了無線通信、嵌入式計算以及傳染期等技術，目前已經基本可以實現人和物、物與物的信息互通。借助無線傳染期網絡可以根據不同的應用對象突出較強的適應性與靈活性，這也促使無線網絡的應用廣度得到了提升。無線網絡監測系統是一種基于無線網絡技術的監測系統，其可以實現對人、物的實時性檢測，同時可以將所監測道的信息以某種可用性格式實現實時性匯報，從而達到實時管理的目標。

1 基于zigbee技術的無線網絡設計

zigbee技術是一種全新的短距離無線局域網技術，其是由多個公司共同研發的一項技術，具備低成本、小體積、低能耗以及低傳輸速率的特點[1]。zigbee技術是IEE802.15.4協議的代名詞，其屬于雙向性的通信技術，結構簡單且穩定性較高，反應時間短，是一種安全可靠的無線傳輸網絡，這一些特點也間接提升了該技術在各領域中的應用。

2 基于zigbee技術的無線網絡監測系統的設計

2.1硬件平臺的設計

在硬件平臺方面，為了更好地突出和展現整體性框架的設計，整個無線網絡監測系統主要是借助監測監控主機與zigbee網絡構成，其中zigbee網絡屬于一種多層次性的網絡結構，末梢方面是以無線傳感器為主要設備，同時中間部分是以路由器設備、協調器設備以及監測監控主機為主[2]。Zigbee無線監控網絡是整個監控系統的關鍵與基礎，借助系統中心可以從無線終端設備獲得相應的數據，借助協調器將信息傳輸到監測監控主機當中，主機根據自身所收集到的指令信息進行分別記錄[3]。終端設備借助傳感器可以實現對相關信息與參數的檢測與記錄，之后以數模轉換的方式，通過處理器處理之后借助射頻模塊將信息發送到路由器設備當中，從而完成信息的傳遞。

2.2網絡節點的設計

本研究在zigbee技術的網絡拓撲結構、物理層的協議規范以及MAC層、網絡層協議規范的基礎上，提出了關于主流集成芯片模塊的zigbee無線傳感器網絡的節點硬件系統框架，其主要是以數字處理模塊、傳感器采集模塊、zigbee無線收發模塊以及電源模塊為主[3]。

數字模塊主要是以高性能的8位AVR微處理器ATmega128L作為核心，整個傳感器節點的處理以及計算核心承擔整個設備的控制、任務的調度、能量的計算以及功能的協調、通訊協議控制等功能。無線收發模塊則是應用TI公司所提供的CC2420作為模塊的關鍵部件，該部件的選擇性與敏感性指標都可以滿足zigbee技術的協議通訊需求，可以保障短距離的無線信息傳輸穩定性與可靠性，從而實現多點對多點的快速組網信息構建[4]。在設計網絡節點時的數字處理模塊與無線收發模塊的外觀以圓餅型為主，其外形的尺寸半徑約為1.55cm，均應用4層PCB抗干擾的設計方案，可以有效提高整個系統的穩定性。

根據結構健康監測的實際需求，設計無線傳感器網絡節點的電源模塊與傳感信息調節模塊的同時，結構健康監測的應用當中需要應用到應變傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等，同時借助相應的信號調理電路將傳感信號轉變為可以輸入到集成微處理器當中的AD轉換器實現信息通道的建設。

2.3節點性能的測試

在無線傳感器網絡節點的設計完成之后，為了更好地保障系統本身的運行可靠性與穩定性，必須對傳感器網絡的節點中每一項系統參數以及性能等實行測試與評估[6]。在設計zigbee無線傳感器網絡節點的部分關鍵性參數時，需要采取實驗驗證的方式進行，注重對抗干擾性能的監測。Zigbee節點的功能損耗應用電容充放電的原理方式進行測試，因為電容值本身是固定的，電容飽和度所需要儲存的能量是相對的，借助節點消耗電容所需要的能量時間，便可以實現對節點功耗的計算。在檢測之后發現Zigbee節點在不同狀態下的功耗狀況為：在全速發送狀態之下，節點的功耗應當低于29mA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應當是20h；在全速接受狀態之下，節點的功耗應當是低于36mA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應當是17h；在低功耗狀態之下，節點的功耗應當是低于17μA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應當是4年。

數模轉換的采樣測試實驗應用信號發生器所形成的峰值500mV的標準正弦信號輸入到AD轉換器當中，并借助兩個節點之間的無線通信將信號最終體現在PC機的監控軟件示波器當中，整個過程的傳輸距離穩定在10m。在給出信號發生器的信號頻率之后（分別為500Hz、1kHz、2kHz、3kHz），在PC顯示器中獲得示波器上所收集的波形。Zigbee節點的最大傳輸距離測試實驗仍然需要采取500Hz的信號產生頻率，同時峰值控制為500mV，直流電平作為250mV的標準正弦信號。在實驗之后Zigbee節點的最大傳輸距離為：室內無障礙環境下最大傳輸距離為40至50m；室內隔墻環境之下（隔墻厚度為25cm）最大傳輸距離為10至20m；室外空曠環境下最大傳輸距離為50至75m。因為節點是以無線模式實現通信，在實際的應用當中，無線環境當中存在大量的環境障礙、反射以及干擾源等，所以節點的抗干擾能力直接決定著Zigbee節點的實際應用效果。在研究當中發現，可能對于節點會形成的干擾因素主要有藍牙設備、無線網絡、墻壁、人體阻擋、CDMA收集以及GSM。在節點之間的傳輸距離范圍超過了信號傳輸極限距離，人體阻擋或移動時節電信號會發生波形丟失。通過大量實驗驗證后發現，在較為寬廣的通信范圍之內，PC設備開關機、多人阻擋以及墻體或模板阻隔對于Zigbee節點通信無明顯影響，但是移動終端、藍牙設備以及無線網絡等會形成一定影響，但不影響正常使用。只有在節點在于極限位置時節點通信效果才會發生改變。

3 總結

綜上所述，在建設基于zigbee技術的無線網絡監測系統的過程中，需要在軟件測試、硬件芯片兩個方面確定協調器、路由器以及終端設備的設計效益。同時，對zigbee技術中的信息通訊協議深入理解，構建符合自身需求的組網模式。整體而言zigbee技術的無線網絡監測系統具備較強的實際應用價值，可以按照實際需求，借助無線技術組網的方式，將其應用到許多的領域當中，社會價值突出。

[1]周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術的溫濕度監測系統

[J].國外電子測量技術，2015.

[2]何蘊良，耿淑琴，汪金輝.基于ZigBee無線傳感的空氣溫濕度監測系統設計[J].現代電子技術，2015.

[3]楊旭輝，周慶國，韓根亮等.基于ZigBee的節能型水產養殖環境監測系統[J].農業工程學報，2015.

[4]李艷，葛年明，陳杰.基于ZigBee的多傳感器物聯網無線監測系統設計[J].自動化技術與應用，2015.

[5]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無線網絡技術的地下車庫照明節能控制系統研發[J].電工技術學報，2015.