基于ZigBee的无线传感网络的设计与实现

1、基于ZigBee的无线传感网络的设计与实现摘 要： 如果需要对条件比较恶劣的工作环境进行监测，ZigBee无线传感网络是非常合适的选择。基于ZigBee的无线传感网络能够利用无线传感器、协调器和监控中心等形成一个无线网络，该网络的监控节点主要通过无线传感器获取监控信息，然后通过协调器和监控中心的嵌入式网关连接起来。这是一种基于簇的分层结构，其具有分布式处理能力，能将获取的信息经过簇头的融合后，通过RS 232接口直接将数据传送给监控中心。关键词： ZigBee； 物流中心； 无线传感器； 监控中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）15?00

2、18?03Abstract： The ZigBee wireless sensor network is a suitable choice to monitor the poor working environment. The wireless sensor network based on ZigBee makes use of the wireless sensor， coordinator and monitoring center to form a wireless network. The monitoring node of the network acquires the

3、monitoring information through the wireless sensor， and then the node and information are connected through the embedded gateway of monitoring center and coordinator. This network is based on the hierarchical structure of cluster， and has the distributed processing ability. The acquired information

4、is fused through the cluster head， and then the data is transmitted to the monitoring center directly through RS 232 interface.Keywords： ZigBee； logistics center； wireless sensor； monitoring0 引 言ZigBee技术属于物流网中一种典型的无线组网技术。它基于IEEE 802.15.4标准，该标准包括有四个层次，分别是物理层、媒体访问层、网络层、应用层，每层设计有自己的协议，共同完成无线通信。在物流中心的无线

5、监控信息系统中，可能需要众多的监测点，这些监测点称为协调器的节点，IEEE 802.15.4标准可以提供的协调器节点可以达到255个，所以一般的企业工作环境的检测要求都能满足。实现ZigBee技术的关键是CC2430芯片，此芯片在该技术领域已非常普遍，芯片内主要集成的内容是存储单元、微控制器与各种输入输出接口。ZigBee技术是一种模仿蜜蜂生存方式的无线通信方式，通过ZigBee技术可以实现短距离的、低功耗的无线通信，基于ZigBee的无线通信技术比较容易实现，所以它很适合于在小区范围或者企业范围内的无线通信。1 系统总体结构设计1.1 系统设计原则基于ZigBee的无线传感网络的开发目的是为

6、了满足企业日常工作的实时监控，保障生产和防止不安全事故的发生。对于系统的设计原则主要有如下几条：（1） 实用性。实用性强是系统最核心的一个性能需求。所以无线传感网络的设计必须要先考虑其实用性，必须紧紧围绕企业的日常监控工作展开，不能有和企业的日常监控不相关的内容。（2） 易用性。一个系统的实用性再强，但是监控界面不友好，也不能称之为一个好的无线传感系统。所以实用性后就需要考虑易用性，要为无线传感网络设计一个简洁、流畅的监控界面。这样的界面易于上手，使得用户很容易掌握操作方法。（3） 兼容性。兼容性同样非常重要，好的兼容性能够使得无线传感网络和企业的其他网络以及系统实现有效的信息传输和共享，如果

7、没有兼容性，无线传感网络就会变得孤立。所以无线传感网络对于兼容性要求较强，需要在设计无线传感网络时充分考虑接口问题和其他网络实现接口的对接。（4） 可扩展性。开发无线传感网络，不是考虑到网络当前运行情况良好就可以了，还要分析如果网络升级或者扩展功能，是否还能运行良好，也就是网络需要具备可扩展性的需求。1.2 总体设计本文设计的基于ZigBee的无线传感网络主要由监控节点和监控中心两部分组成，如图1所示。从图1可以看出系统的总体结构中主要包括的是通信模块和监控中心两部分，其中通信模块主要包括传感器节点和协调器，而监控中心主要是嵌入式网关。监控节点主要是通过无线传感器获取监控信息，然后通过协调器和

8、监控中心的嵌入式网关连接起来。本文设计的无线监控系统的架构是基于簇的分层结构，这种分层结构具有天生的分布式处理能力。其中簇头就是协调器，传感器节点就是簇成员，它们将获取的信息经过簇头的融合后，直接将融合后的数据传送给监控中心。无线传感器和协调器之间的数据传送都是通过ZigBee无线通信技术完成的。2 硬件的设计基于ZigBee的无线传感网络的主要硬件部件包括：CPU、无线传感器、通信数据模块、业务数据处理模块等。2.1 无线传感器在选择无线传感器时，要综合考虑无线传感器的价格、提议和能耗等因素。在经过比较后，选择使用KGS?20型号的、低功耗的无线传感器，此无线传感器是由二氧化锡制作的半导体型

9、气体传感器。另一方面，此传感器具有体积小、使用简单、对环境变化的响应时间快等优点。它的反应时间不超过20 s，复位时间不超过30 s，并且对工作的温度和湿度没有较高要求，在复杂环境中照常使用。该无线传感器是低功耗的，静态功耗为150 mW，产生报警时的功耗也仅为300 mW。该无线传感器是用直流电源的方式供电，需要设定的电压范围在35 V之间。2.2 数据通信模块在基于ZigBee的无线传感网络中，数据通信模块起到了连接和通信的作用。主要负责系统中的主要节点的通信、控制信号交换和数据信息传输。因为系统使用的主要是无线通信，在设计数据通信模块时最主要的就是要降低系统的能量耗损。所以在设计数据通信

10、模块时，需要考虑的是数据通信芯片的发射功率、数据率、调制模式等问题。通过综合考虑，选择了Nordic公司的nRF2401芯片作为无线传感网络的主要数据通信的节点芯片。nRF2401的成本较低，它属于射频系统级芯片。它的功耗小、外围元件少、体积小。nRF2401的工作频段是2.42.5 GHz，符合通信协议ZigBee的要求。nRF2401有较强的抗干扰能力，如果需要在通信模块使用跳频技术，nRF2401可以通过降低发射功率的方式减少能耗。nRF2401还能实现对数据信号的打包、调制和编码，能够实现较强的数据信号处理。nRF2401芯片的数据通信方式就是通过将数据转换为RF信号，然后通过I/O匹

11、配电路将转换完成的RF信号送入天线，这样就完成了数据信号的发送。2.3 数据处理模块数据处理模块是基于ZigBee的无线传感网络的核心模块，系统几乎所有的工作都需要数据处理模块的支持，例如：任务调度、信息控制、通信、数据传输和共享等。所以，首先要为数据处理模块选择一个合适的处理器，在本文中选择AT?mega128L作为数据处理模块的处理器。ATmega128L处理器的主要部件是32个通用工作寄存器，128 KB的可编程FLASH，4 KB的E2PROM，53个通用I/O口线，4 KB的SRAM，8通道10位ADC，实时时钟RTC，SPI串行端口，2个USART，可编程看门狗定时器，JTAG测试

12、接口。在数据处理模块中有一个核心装置就是数据处理模块的控制芯片，该芯片的主要作用就是负责协调整个数据处理模块各个部件的协调工作。该控制芯片还能通过I/O接口获取当前传感器输出的电压值来感知监控环境的变化情况，如果物流中心的环境发生变化，例如出现火灾等情况，物流中心的现场环境就会出现烟尘浓度超过平时数值的情况，如果浓度超标，就通过无线传感器传输的终端进行报警。2.4 电源模块基于ZigBee的无线传感网络若想正常工作，就必须有电源的支持，所以电源对于系统来讲非常重要，是系统的所有硬件设备能正常工作的最基本保障。因此，电源模块的设计非常重要。因为在系统中使用的无线传感器是低功耗的，所以如果无线传感

13、器是处于空闲状态，就可以利用未处理的I/O直接驱动，这时就不需要额外的电源支持，进一步降低了能量的损耗。但是，在无线传感器处于工作状态时，就必须使用外接电源。电源的选择一定要慎重，因为电源的寿命直接决定了无线传感网络的寿命。所以，对于整个硬件系统来讲，最珍贵的资源是电源，良好的电源模块是网络良好运行的前提。因为本文选择的无线传感器的体积较小，所以电源模块也相应的要选择微型电池。本文选择CR2032纽扣电池，该型号的纽扣电池的工作输出电压为23 V，它能提供大约200 mA-h的电流量。CR2032的放电较为平稳，所以它的使用寿命较长，比较适合使用在本文设计的基于ZigBee的无线传感网络中。3

14、 软件的设计基于ZigBee的无线传感网络想要正常工作，只有硬件是不行的，还需要进行相应的软件设计才行。3.1 无线传感器节点软件设计本文设计的无线传感器节点的主要作用是对企业日常工作环境的变化进行监测，例如企业发生火灾导致环境的浓度发生变化等。需要将采集到的数据信息通过数据通信模块上传到监控中心，所以无线传感器节点的设计是整个无线传感网络的核心内容。无线传感器节点的工作模式主要有：睡眠模式、工作模式和唤醒模式。无线传感器节点的簇节点工作流程如图2所示。从图2可以看出，传感器节点在开始工作后，首先无线传感器的节点开始初始化，而后无线传感器的节点就进入低功耗模式，即睡眠状态。在这个状态下，微处理

15、器是不工作的。而此时，系统的SPI端口和中断系统却照常处于工作状态，它们随时会接收系统发送的中断请求。由于数据采集工作必须在一定时间内进行，超过指定的时间范围，就必须将所采集到的数据进行发送，在这种情况下，传感器节点处于工作模式，完成数据采集并且将数据传送至监控中心后，无线传感器节点将重新进入低功耗模式。在该模式下，传感器节点进行循环工作，从而保证物流中心日常工作环境的正常运转。3.2 协调器软件设计在本文的软件设计中，基于ZigBee的无线传感网络的主要核心是协调器节点的软件设计。协调器节点首先初始化，然后协调器会自动地发送一个广播包给网络中的无线传感器，广播包中有该协调器对应的簇的网络ID

16、，当这个广播包发送后，ZigBee无线网络中的协调器的任务就是等待该簇中无线传感器节点的响应。当发送广播包后，如果在一定的时间内没有无线传感器终端节点响应，就说明没有新的无线传感器节点要求加入该协调器对应的分布式的簇，则协调器节点继续执行等待命令；如果无线传感器节点对协调器的广播包发出响应，说明有无线传感器节点要求加入该协调器对应的簇，这时协调器就可以对这个无线传感器节点进行信息确认，并且协调器会将该无线传感器节点的信息进行统计，然后给该无线传感器分配一个该簇中的ID号。协调器不仅需要和无线传感器进行数据通信，还需要和监测中心进行通信，主要是向监控中心发送数据和接收监控中心的数据并将这些数据进

17、行分析和融合。协调器和监控中心的通信是通过串口协议完成的，协调器从监控中心那里接到第一个应用连接信息，然后向监控中心发送确认信息，监控中心接收到协调器的确认消息后，会对协调器发送获取无线传感器节点信息的请求，协调器将向监控中心发送无线传感器节点的信息。若协调器接收到监控中心发送的获取无线传感器节点数据信息的请求后，协调器将该请求消息进行处理，然后将接收到的无线传感器节点采集的数据信息打包通过串口发送给监控中心。如果监控中心给协调器发送资源控制信息，协调器同样会将这些信息转发给各个无线传感器节点，控制无线传感器节点执行相应的动作。4 结 语无线传感网络是近几年通信等各个领域研究的热点，ZigBee 技术属于短距离的无线通信技术，由于其成本低、功耗低、传输时延低，所以其在近些年广泛应用于新兴的物联网领域。本文设计了一个基于ZigBee的无线传感网络，利用ZigBee技术对企业的工作环境进行无线监控，设计了无线传感网络的总体架构、硬件和软件。通过本系统可以实现对企业日常工作环境进行无线监测，如果企业的环境发生了变化，例如环境中烟尘的浓度超过设定的标准，就会向监控中心发送报警信号。系统如果能在物流中心进行实施，会对企业