基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計

趙志偉 陳可飛 劉雅莉

【摘要】近些年來，隨著時代的發(fā)展和科技的進步，我國各領(lǐng)域更是提升了自身的信息化和科技化的發(fā)展水平，并完善了內(nèi)部建設(shè)。ZigBee技術(shù)應(yīng)用到我國的環(huán)境監(jiān)控中更是在一定程度上提升了自身的技術(shù)水平，并能更好的對環(huán)境進行實時的監(jiān)控。鑒于此，本文主要分析研究了ZigBee的技術(shù)概述和特點，并對環(huán)境監(jiān)控的節(jié)點設(shè)計進行了詳細(xì)的規(guī)劃，旨在基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計水平的提升。

【關(guān)鍵字】ZigBee 環(huán)境監(jiān)控 節(jié)點設(shè)計

前言：在我國環(huán)境監(jiān)測的傳感器系統(tǒng)具有簡單、性能較高且不需要長期更換電池等優(yōu)點。環(huán)境監(jiān)測主要是由大量互聯(lián)的微型傳感器的節(jié)點進行組成，新型的環(huán)境監(jiān)控的傳感器網(wǎng)絡(luò)與以往的環(huán)境監(jiān)控相比，具有數(shù)量更多的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，并且具有較高的分布密度[1]。與此同時，這種無線傳感器節(jié)點的本身具有一定的計算能力和儲存能力，可以根據(jù)不同的物理環(huán)境來進行不同復(fù)雜程度的監(jiān)控。ZigBee的技術(shù)是當(dāng)前我國信息科技進步發(fā)展的最新產(chǎn)物。ZigBee作為一種當(dāng)前較為先進的無線連接技術(shù)，憑借著簡單、易操作等特點在我國的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的進一步發(fā)展中起到了重要的幫助。

l.Zigbee技術(shù)概述及特點研究

1.1 技術(shù)概述

隨著我國科技的進步和發(fā)展，ZigBee技術(shù)逐漸被應(yīng)用到我國環(huán)境監(jiān)控中，完全取代了以往的監(jiān)控技術(shù)，并充分的發(fā)揮出該Zig-Bee的最大作用。ZigBee是一種新型的短距離、低功率和低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee主要工作于2.4GHz的全球統(tǒng)一且不需要進行申請的工業(yè)科學(xué)和醫(yī)療頻段，這種傳輸速率為20～260kb/s，其中的傳輸距離為15米至78米不等，ZigBee技術(shù)主要適用于近距離的無線通信，這種無線通信更適合進行現(xiàn)場的檢測，并依據(jù)IEEE802。15.2標(biāo)準(zhǔn)，在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)以千計的傳感器之間進行協(xié)調(diào)從而真正的實現(xiàn)通信。在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中主要包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，其中對于協(xié)調(diào)器的設(shè)置是在每一個網(wǎng)絡(luò)所要具備的[2]。因此，協(xié)調(diào)器也是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，主要用來負(fù)責(zé)進行網(wǎng)絡(luò)的組織和維護。ZigBee中的路由器主要是負(fù)責(zé)進行數(shù)據(jù)包中的路由選擇，以此來盡可能的拓寬網(wǎng)絡(luò)的范圍，其中的終端設(shè)備則是按照功能來劃分全功能的設(shè)備以及精簡功能設(shè)備[3]。

1.2特點研究

ZigBee技術(shù)在引入我國環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計中更是在一定程度上提升了自身的監(jiān)控技術(shù)水平，并更為高效且精確的進行環(huán)境監(jiān)控[4]。以此，ZigBee技術(shù)的強大不容小覷。ZigBee技術(shù)也具有以下幾個特點，其一，ZigBee技術(shù)較為省電，兩節(jié)普通的五號電池便可以保證設(shè)備工作半年至兩年的時間。其二，ZigBce具有安全性較高的通信，ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，該機制為相關(guān)的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了一定的時間，以此有效避免在進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)不必要的競爭，其中的MAC層便采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，在進行數(shù)據(jù)運輸?shù)倪^程中需要等待對方進行消息的確認(rèn)[5]。其三，ZigBee具有較強的自愈性，由于ZigBee的自組織功能不需要進行人工干預(yù)，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點便可以對其他節(jié)點進行感知，以此來更改的確定連接關(guān)系，從而有效的實行系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)，在使用ZigBee技術(shù)后的環(huán)境監(jiān)控節(jié)點若是增多或者是缺少相關(guān)的節(jié)點，或者是節(jié)點位置發(fā)生變化等情況出現(xiàn)時，ZigBee都可以對其進行自愈功能，并對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，從而在保證沒有人工干預(yù)的情況下促進系統(tǒng)的正常工作[6]。其四，ZigBee技術(shù)的成本較低，切具有較高的性價比，以及較大的網(wǎng)絡(luò)容量，ZigBee技術(shù)更是在一定程度上提供了完整的數(shù)據(jù)和已經(jīng)加密的算法，從而保證環(huán)境監(jiān)控的數(shù)據(jù)安全。

2.環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計主要是由傳感器模塊、處理器模塊以及無線通信模塊和電源模塊進行構(gòu)成，其中的處理器以及無線通信模塊更主要采用的是ZigBee協(xié)議上的片上系統(tǒng)級芯片，以此來簡化以往射頻電路的設(shè)計，其中的傳感器的模塊所采用的是集成溫濕度傳感器SHT71型的傳感器，并保證干電池的供電[7]。在這過程中，無線通信模塊所選用的芯片是TI公司進行無線單片機收購的CHIPCON所推出的一款ZigBee無線單片機的系列芯片，這種芯片完全符合IEEE803.15.2的標(biāo)準(zhǔn)的片上的SOCZigBee產(chǎn)品，其中的CC2433不僅包括收發(fā)器，還集成了加強版的8051MCU、ADC以及DMA等，在無線通信模塊中可以采用低電壓的且供電和能耗較低，在這過程中可以保證其最大傳送速率為260KBS。CC2530所組成的無線通信模塊使用了非平衡的天線來進行非平衡電壓器的連接，以此來保證天線性能的出色，其中電路中的非平衡變壓器主要是由C12和PCB的微波傳輸線構(gòu)成，在這過程中，可以更好的滿足RF輸入和輸出所進行匹配的要求，在該無線通信模塊中可以更好的用于電源濾波來提升芯片的工作穩(wěn)定性[8]。對于環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集模塊來講主要是完成對環(huán)境的濕潤度以及可燃?xì)怏w濃度的測量，在這過程中，所選用的是瑞士公司出品的一款全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器DS18820所采集的溫濕度數(shù)據(jù)，這種傳感器可以對溫濕度進行有效的測量，并憑借較強的抗干擾能力和較強的穩(wěn)定性，在集成溫濕度傳感器后可以更為高效的進行環(huán)境監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計[9]。

2.2 軟件設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控節(jié)點中的軟件設(shè)計主要是包括數(shù)據(jù)才節(jié)點的定時和管理，以及無線模塊的收發(fā)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)搭建完畢后，由協(xié)調(diào)器來發(fā)起網(wǎng)組命令，并由路由器來加入網(wǎng)絡(luò)，以此來更好的綁定協(xié)調(diào)器，在進行協(xié)調(diào)器綁定之后，便可以通過終端設(shè)備的開啟來加入當(dāng)前最近的路由器。在進行軟件設(shè)計的過程中需要考慮到低能耗的要求，并選用休眠模式，當(dāng)環(huán)境監(jiān)控的節(jié)點處于休眠狀態(tài)變成了工作狀態(tài)時，采集并將得到的節(jié)點以及溫度和濕度甚至是氣體濃度都上傳到上層的節(jié)點，并進行了自動的休眠狀態(tài)[10]。在環(huán)境監(jiān)控過程中的軟件設(shè)計的數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程工序較為簡單，更容易進行操作。

2.3 設(shè)計實現(xiàn)

對于環(huán)境監(jiān)控節(jié)點設(shè)計中的整個網(wǎng)路系統(tǒng)主要是由主機和ZigBee網(wǎng)絡(luò)鎖構(gòu)成，這種層次性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最底部為傳感器的終端設(shè)備，在傳感器的終端設(shè)備以上分別是路由器、協(xié)調(diào)器以及監(jiān)控主機，其中的監(jiān)控主機主要是通過計算機來進行環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示，并對網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令[11]。在總體方案的設(shè)計下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是用來進行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。在這過程中為了有效的避免出現(xiàn)節(jié)點任意組網(wǎng)的情況發(fā)生，從而造成環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗處于分布不均的情況，相關(guān)的技術(shù)工作人員需要將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部分成若干小型的星型網(wǎng)絡(luò)，其中每一個星型網(wǎng)絡(luò)都稱為一組，星型網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點便是ZigBee路由器通過并將終端設(shè)備所上傳的信息進行整合，在將數(shù)據(jù)發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器。因此，ZigBce網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控主機進行連接的方式主要是將協(xié)調(diào)器和通信主機經(jīng)過串口的方式進行連接，若是在這過程中不能更好的方便進行主機的監(jiān)控和使用，便可以選用GPS將數(shù)據(jù)發(fā)送到有該技術(shù)裝置的監(jiān)控主機當(dāng)中。其中的監(jiān)控主機主要是需要對ZigBee技術(shù)中的傳感器節(jié)點的實際工作狀態(tài)進行監(jiān)督，將所顯示的數(shù)據(jù)原地址、傳感器的采集和數(shù)據(jù)的變化趨勢根據(jù)節(jié)點的調(diào)整來進行工作任務(wù)，當(dāng)前我國基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要是通過節(jié)點的工作壓力來對節(jié)點在工作中的剩余能量信息進行判斷，在這過程中需要對電壓過低節(jié)點的休眠時間進行采樣頻率的降低。

3.基于ZigBee環(huán)境監(jiān)控節(jié)點實踐

3.1 實踐構(gòu)建

為了進一步實驗ZigBee環(huán)境監(jiān)控節(jié)點實踐，相關(guān)的技術(shù)T作人員將CC2420節(jié)點和CC2530節(jié)點放在一起，并作為不同的功能設(shè)備，以此來組建成一個ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是用于證明共同移植的通用協(xié)議棧的從基礎(chǔ)上，并在CC2530節(jié)點片上解決方案共同組網(wǎng)的可行性以及實際的通訊質(zhì)量分析。在這過程中，進行實驗的相關(guān)技術(shù)人員進行了實驗的平臺搭建，對于硬件的選取主要為PC電腦CC2530節(jié)點，和兩個CC2530的全功能節(jié)點進行組成。其中的CC2530節(jié)點作為協(xié)調(diào)器，CC2530的全功能節(jié)點作為路由器，剩下的節(jié)點當(dāng)做終端設(shè)備，主協(xié)調(diào)器主要采用了外接電源進行供電，以此來保證液晶屏可以實時的接受到所顯示的數(shù)據(jù)。與此同時，相關(guān)工作人員還設(shè)置了一個ZigBee節(jié)點，以此用來進行空中抓包，并將監(jiān)聽到的ZigBee通訊信息通過串口與PC機的連接來向PC進行發(fā)送，以此來更好的實驗性能。對于軟件環(huán)境主要是選取IEEE 237，15.2 packet sniffer，IEEE 237，15.2 packet sniffer作為chipcon公司用來查看節(jié)點之間射頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖饕譃榘迳铣绦蛞约吧衔粰C程序的兩個部分，上位機軟件可以進行頻道的選取，板上程序在進行使用的過程中需要將所需要的程序下載在板上。

3.2 實踐結(jié)果分析

當(dāng)硬件程序和軟件程序準(zhǔn)備就位后，相關(guān)的技術(shù)工作人員通過packet sniffer軟件來監(jiān)聽到了一些有用的數(shù)據(jù)信息，并主要分為以下幾個方面，首先是當(dāng)路由器加入網(wǎng)絡(luò)，在這一部分中的通訊信息顯示了路由器請求加入網(wǎng)絡(luò)，在同意加進網(wǎng)絡(luò)后，由協(xié)調(diào)器來進行短地址過程中的分配，其中協(xié)調(diào)器的長地址為Ox1862972037340373402730C.當(dāng)路由器加入?yún)f(xié)調(diào)器并建立相關(guān)的局域網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器的短地址分配為Ox0002，通過FCS標(biāo)識進行校驗，發(fā)現(xiàn)信息接收成功。其次是協(xié)調(diào)器和路由器之問的通信.在這一過程中，協(xié)調(diào)器會向路由器發(fā)送MAC層，也就是網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)的信息類型為DATA信息，也是路由器被分配的短地址。最后是終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器的通訊，在這過程中，相關(guān)的技術(shù)工作人員打開終端設(shè)備，并讓終端設(shè)備箱主協(xié)調(diào)器進行指令的發(fā)送，以此來請求加入網(wǎng)絡(luò)。Source addrcss設(shè)備的終端長地址為Ox28739373490320000.接收方為PAN ID為OxOIFF，經(jīng)過相關(guān)的實驗得出終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器的通訊之間的連接成功。

結(jié)論：近些年來，我國的工業(yè)化進程逐漸加快，全自動化的監(jiān)測技術(shù)在進行發(fā)展的過程中興起了無線技術(shù)，其中的無線技術(shù)憑借著低成本、高性能等優(yōu)勢逐漸取代了以往傳統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，Zig-Bee的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)作為科技進步的產(chǎn)物，更是對工業(yè)牛產(chǎn)中的環(huán)境進行了實時的監(jiān)控，并通過對數(shù)據(jù)的采集以及相關(guān)故障的分析來更好的達到牛產(chǎn)優(yōu)化控制的目的，從而真正的實現(xiàn)安全增效。由此看來，ZigBcc技術(shù)在未來的發(fā)展過程中甚至?xí)B透到更多領(lǐng)域的發(fā)展中，并具有著較為廣闊的發(fā)展前景。

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