基于ZigBee無線環(huán)境監(jiān)測與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐陽陽 劉璇 谷洋洋 宗繼燁 李晨旭

【摘?要】本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)之上，結(jié)合Arduino開發(fā)優(yōu)勢及ZigBee無線通信技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用性和靈活性及降低節(jié)點(diǎn)的成本和能耗進(jìn)行了研究。

1.引言

隨著現(xiàn)在高科技的進(jìn)步，人們的生活水平有了很大的提高，對(duì)環(huán)境的要求也越來越高，環(huán)境問題開始得到社會(huì)的重視。目前，環(huán)境監(jiān)測發(fā)展的一個(gè)重要方向是開發(fā)適合中國國情、價(jià)格低廉的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)之間可以相互感知、采集、存儲(chǔ)和處理監(jiān)測信息數(shù)據(jù)，信息經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和處理后通過無線通信的數(shù)據(jù)流傳遞方式傳送給用戶系統(tǒng)構(gòu)成 WSN 體系結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

基于 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)，在軍事探測、環(huán)境監(jiān)測、智能家居和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域中有著非常大的應(yīng)用前景，在監(jiān)測環(huán)境的同時(shí)對(duì)無線定位做了進(jìn)一步的研究，結(jié)合定位算法提高了環(huán)境監(jiān)測的精度，由于其具有低功耗、低速率、低成本、可靠性強(qiáng)、時(shí)延短以及網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、煤礦、地下停車場以及現(xiàn)代樓宇等生活服務(wù)中。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，利用ZigBee對(duì)定位系統(tǒng)近一步設(shè)計(jì)。

2. 基于ZigBee無線環(huán)境監(jiān)測與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文結(jié)合Arduino開發(fā)優(yōu)勢及ZigBee無線通信技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用性和靈活性及降低節(jié)點(diǎn)的成本和能耗進(jìn)行了研究。本文所進(jìn)行的研究工作主要包含以下幾點(diǎn)：

一是研究ZigBee通信協(xié)議及其組網(wǎng)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)課題所需的通信協(xié)議。

二是研究設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)基于Arduino技術(shù)的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需求選擇合適的Arduino開發(fā)板，并以該開發(fā)板為設(shè)計(jì)原型進(jìn)行功能模塊的電路設(shè)計(jì)。對(duì)于無法參考Arduino開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)的功能模塊，再以XBee ZB模塊及外圍電路設(shè)計(jì)、DS2438芯片及外圍電路設(shè)計(jì)作為補(bǔ)充完善節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，在節(jié)點(diǎn)電路原理圖設(shè)計(jì)完成后，對(duì)節(jié)點(diǎn)PCB板進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)和制作。

三是在無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議及硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上研究設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)該無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)，通過設(shè)計(jì)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，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息采集及信息傳輸?shù)闹悄芑?/p>

3.結(jié)論

本文完成了對(duì)基于Arduino的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而從通信功能角度及傳感數(shù)據(jù)采集角度以溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測為例對(duì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際功能進(jìn)行了測試，并對(duì)多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)及組網(wǎng)后形成的小型無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能進(jìn)行了測試，此外還對(duì)節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行了測試及分析。以上測試結(jié)果驗(yàn)證了本課題設(shè)計(jì)方案的可行性，并以新興技術(shù)Arduino與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)的結(jié)合為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了可參考的研究方法。

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經(jīng)費(fèi)支持：

2019年衢州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（Q19X061）

（作者單位：衢州學(xué)院?電氣與信息工程學(xué)院）