基于無線傳感器網絡的單片機教學研究

●李合軍

一、概述

（一）ZigBee 協議下的無線傳感器網絡

傳統單片機發展的過程較長，在傳統單片機發展的過程中也遇到了一些問題。因此，在傳統單片機發展到一定階段后，出現了無線單片機。從傳統單片機到無線單片機的過渡和轉化過程在本文中有必要進行簡要的闡述和探討。在對上述內容的進行研究和探討的基礎上，筆者基于ZigBee 協議提出了一種新型的網絡教學系統和實驗模式。該種教學系統和實驗模式也正是依托無線傳感器網絡完成的。在該種實驗模式和教學系統中，分布有不同的傳感器節點，這些傳感器節點之間通過網絡互相連接，形成了一種新型的架構模式。不同的無線網絡傳感器之間的組合形成的不同樣式的拓撲結構。在這種設計下，不同的數據采集點所采集到的所有有效數據將會利用構建的連接的網絡進行傳輸，并最終傳輸到用戶的終端設備上，以此來完成整個傳輸活動。除此之外，處于終端控制位置的用戶群體同時也能通過網絡信號的傳輸對架構上的各個無線網絡傳感器節點進行控制。通過這種架構模式，可以實現信息傳輸的雙向互動，用戶可以便捷的控制無線傳感器節點，無線傳感器采集到的信息也可以及時返回用戶終端。

（二）單片機演變歷程

單片機相關技術在世界范圍內的發展已經經歷了較長的時間，在發展階段內單片機在運行速度上也有了明顯的提升和優化。該種提升為單片機的計算和應用帶了諸多便捷條件和優勢。具體而言，單片機在最初的發展階段為8 位單片機，經歷長期的技術更迭，單片機技術逐漸演變到32 位單片機。單片機技術也因此帶來了技術上的大發展。從客觀上來看，上述單片機的發展和技術更迭主要體現在運行速度上，這種改變實質上是數量上的改變而非本質的改變。只有單片機技術真正實現了質的飛躍才能被稱之為根本上的更迭和變化。具體而言，單片機技術只有實現了無線化、無線網絡化，并將無線功能進行集成，才屬于單片機技術的飛躍和發展。單片機在實現了無線化和無線網路傳感器的集成的情況下，可以實現更廣的應用范圍，并且可以更深刻的產業變革。因此，上述的單片機技術的變革更具應用價值。但是，無論是無線網絡傳感器技術的更新還是單片機技術的更迭都會給教學活動帶來新的挑戰。因此，本文的研究具有一定的實踐價值。

二、無線傳感器網絡單片機教學與實驗平臺

ZigBee 協議下的無線傳感器網絡系統的組成由不同的設備組成。具體而言，該設計系統內需要包括PC 設備。PC 設備在整個設計系統中處于核心位置。該設計系統內還包括了網關相關設備和無線傳感器網絡設備。整個系統內的各項設備在系統運行的過程中都需要通過無線網路進行連接，從而實現數據的及時傳輸，實現整個系統的設計目的。

（一）系統連接模式

該套系統的連接模式具體闡述如下：PC 機是整個設計系統的控制部分。PC 設備與系統內的網關設備連接，PC 設備將通過網關作為中介設備與系統中的其他設備進行連接，并實現相應的控制活動。網關將實現與其他各種類型的多數量設備進行連接。網關連接的設備主要有兩類，第一類是的路由設備，第二類是傳感器設備。路由設備和傳感器設備的數量和具體布置方案將根據實際需求情況進行分配和安裝。整個系統構建的方案屬于可變更的靈活狀態，這也是為了能夠在實踐活動中方便使用和配置。在標準的系統設計模式下，網關設備后假設了五臺路由設備，路由設備分為三個配置路徑。網關后的三臺路由設備后又增設了若干個傳感器節點。在本套設計系統中，分別將其標記為路由設備A、B、C，分別將路由設備后連接的七個傳感器節點標記為傳感器節點1、傳感器節點2、傳感器節點3、傳感器節點4、傳感器節點5、傳感器節點6、傳感器節點7。其中，路由設備A分為兩條配置路徑，其中第一條配置路徑連接了傳感器節點1,第二條配置路徑連接了傳感器節點2。在路由設備B 的配置方面，路由設備B 與路由設備C 之間存在中繼關系。PC 終端發出的設備信號會經過兩臺路由設備進行傳輸。同樣地，由無線網絡傳感器采集到的信息也會通過雙重路由設備的中繼到達PC 設備。通過上述信息傳輸渠道的構建，可以實現傳感器節點之間和PC 設備之間信息有效傳輸。路由設備C 最終連接與剩余的無線網絡傳感器節點進行連接實現系統之間的聯系。

系統連接模式示意圖

（二）關鍵設備介紹

1.PC 設備。在該設備中將設置多臺PC 設備，以實現不同的工作任務和目標。在不同的PC 端之間可以實時保持連接，以獲得操作和任務的同步進行。在多個PC 端與網關設備的連接時，本設計采用了有線連接的方式。其原因主要是由于實體網線可以保證連接的穩定性。除此之外，PC 設備上還設置了可視化的上機位畫面，通過可視化的操作界面可以使該系統的操作更加便捷，更易于實現設計目的。PC 設備與網關設備之間建立的連接，主要可以實現以下功能：（1）實現PC 設備與網關設備之間的通信，使整個設計系統之間保持及時的信息交流。（2）PC 端可以通過與網關設備的連接實現實時觀察系統運行狀況的功能。（3）PC 端可以實現實時監測功能，系統運行的各項參數將實時反饋在PC 設備上，可以使用戶便捷的掌握到系統運行的各種狀況。（4）PC 端可以實現對系統的控制。PC 端的可視化面板上將會顯示各種控制參數，用戶可以實現便捷地對各項功能進行控制和操作。

2.網關設備。在本文設計的系統中網關設備主要起到了建立網絡連接的作用。本文中研究的系統中的各個設備之間必須依靠有效的網絡連接才能實現。通常運行狀態下，PC 端發送的指令將通過網關向的其他設備進行傳輸。PC 端將發送的指令傳輸至網關設備，網關設備再將相應的指令發送至路由節點和其他終端傳感器節點。同樣地，終端傳感器節點也可以將其采集到的信息通過路由設備傳輸至網關設備，最終將所需數據傳輸至PC 端。

3. 路由節點及設備。由于終端設備數量通常情況下較多且分布較廣。因此，網關設備不可能與每一個終端傳感器節點之間產生連接，此時就需要路由節點及設備進行數據的中繼服務。

4. 終端傳感器設備。終端傳感器設備主要實現的功能是采集各項數據。其中包括對各種環境數據的采集活動，例如可以實現對光線的控制以及對溫度數據以及光照數據進行采集。

三、軟件平臺

（一）軟件平臺功能

在該系統內設置了上位機ZigBee 無線網絡監控軟件，該軟件可以實現可視化顯示的功能。這種可視化顯示主要是基于網絡拓撲實現。除此之外，該軟件還可以實現傳感器節點的相關數據的讀取以及可視化。具體而言，可以實現讀取溫度、光敏值、信號強度的讀取和可視化顯示。這為用戶使用帶來了較強的便利性。該軟件可以實現對各個傳感器節點的程序配置和下載、拓展實驗過程中所需要的其他配置等功能。

（二）ZigBee 無線網絡監控軟件的特點

ZigBee 無線網絡監控軟件的特點主要有以下五點：其一，可以實現對傳感器網絡的監控并管理。使用戶可以實時控制整個系統運行。其二，可以實現數據的可視化。其三，可以實現網絡運行狀況的實時監控。其四，可以實現命令的發送和信號的傳輸功能。其五，可以通過PC 對系統中的節點進行配置。

四、結語

在本文中，筆者研究和設計的無線傳感器網絡可以實現將傳感器所收集到的信息通過路由設備進行中繼后，再通過網關設備傳輸至PC 端，PC 端作為主控電腦可以通過運用相應的軟件系統實現可視化的讀取。在用戶使用的過程中，也可以通過操作主控電腦對傳感器節點進行單獨控制。本文中設計的單片機系統可以實現環境數據監測等功能。但是其作為一種教學實驗系統，其具備較強的可擴展性。將其他類型的傳感器設備或其他裝置增添至該系統內，就可以實現更加豐富的功能。因此，本文中所提出的基于無線傳感器網絡的單片機教學系統有著較強的實用性，可以滿足多種實際需要。