基于Zigbee的無線傳感網(wǎng)在海底觀測設(shè)備實時監(jiān)測中的應(yīng)用

徐 燕

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks-WSN）[1]，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成的，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，是一種全新的信息獲取平臺。具有快速展開、抗毀性，并具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。近年來，無線通信技術(shù)和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了信息感知的一場變革，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。目前，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于環(huán)境保護與檢測、醫(yī)療護理、軍事與安全救災(zāi)、現(xiàn)代交通和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[2]。本文使用了在傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中比較熱門的技術(shù)之一——ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了海底觀測設(shè)備姿態(tài)信息的實時監(jiān)測。

1 Zigbee

1.1 Zigbee技術(shù)概述[3]

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般都是要求實時性的傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備通常采用電池供電，因此根據(jù)實時性、低功耗、低成本等特點和要求，2002年由美國摩托羅拉公司、日本三菱電氣公司、荷蘭飛利浦公司等企業(yè)共同組成ZigBee技術(shù)聯(lián)盟，著手開發(fā)ZigBee技術(shù)，如今該聯(lián)盟的成員已擴大為100多家企業(yè)，并在不斷的壯大。

ZigBee技術(shù)特點，主要涵蓋以下幾個方面[8]：

功耗低：在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可支持一個節(jié)點使用6～24個月不等，相較于藍牙的工作數(shù)周、WiFi工作數(shù)小時而言，這也是zigbee在通信市場占有一席之地的獨特優(yōu)勢。

數(shù)據(jù)傳輸速率低：ZigBee工作速率有10Kb/s～250Kb/s，已滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。

成本低：與藍牙相比ZigBee協(xié)議的大幅簡化并且免專利費，這都大大降低了成本。

網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee設(shè)備具有強大的組網(wǎng)能力，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持可達 65000個節(jié)點。一個區(qū)域內(nèi)可同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

時延短：ZigBee響應(yīng)速度快，其通信時延和從睡眠狀態(tài)激活的時延非常短,一般從睡眠激活只需 15ms,節(jié)點入網(wǎng)只需 30ms，進一步節(jié)省了能耗；而藍牙需要 3～10s、WiFi需要3s。

安全可靠：在安全性方面，ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗的數(shù)據(jù)包完整性檢查和鑒權(quán)認證功能，采用AES-128加密算法，應(yīng)用中可靈活確定網(wǎng)絡(luò)安全屬性；在可靠性方面，使用有時隙的載波監(jiān)聽多址接入-沖突避免(CSMA-CA)策略，同時需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙，避開了大量數(shù)據(jù)的突發(fā)性、同時性發(fā)送引起的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)測傳輸模式，每次發(fā)送都必須等待接收方的確認信息，以此判斷是否出現(xiàn)傳輸問題，是否需要進行重發(fā)。

通信范圍?。焊鶕?jù)實際發(fā)射功率的大小和應(yīng)用場合的不同，ZigBee的通信有效覆蓋范圍平均在10～75米之間，基本能夠覆蓋普通的住宅或辦公室環(huán)境，通過ZigBee的組網(wǎng)功能，傳輸信號覆蓋面積可以擴展到整個樓宇甚至整個社區(qū)。

工作頻段靈活：ZigBee采用直接序列擴頻技術(shù)的2.4GHz免執(zhí)照頻道，并具有16個擴頻通信新到，根據(jù)實際需求靈活配置。

1.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee[4]網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)(Star Network)，樹簇型網(wǎng)(Cluster tree Network)和網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh Network)三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡(luò)是3種網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種拓撲結(jié)構(gòu)，在該網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器位于網(wǎng)絡(luò)的中心并與其他子節(jié)點通信，其覆蓋范圍比較小，通常用于節(jié)點數(shù)量要求少，且分布較密集的場合中，如果家庭自動化、個人消費電子產(chǎn)品等；樹簇型網(wǎng)絡(luò)可看做星型網(wǎng)絡(luò)的擴展和延伸，它比星型網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍更大，但信息傳輸時延也隨之增大，并且在傳輸數(shù)據(jù)時，一旦一條路徑有問題，那么在這條路徑中所有的節(jié)點都不能通信；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是在樹簇型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，它可以理解是由若干個全功能節(jié)點連接在一起組成的骨干網(wǎng)，這些節(jié)點之間可以對等通信，與樹狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的，因此它建立的網(wǎng)絡(luò)可靠性高、時延小且具有自愈能力并為數(shù)據(jù)的傳輸提供多條路徑，一條路徑出現(xiàn)故障，節(jié)點則可以選擇其他路徑進行通信，但由于節(jié)點之間存在多條路徑，所需存儲空間開銷更多。

2 海底觀測設(shè)備無線監(jiān)測系統(tǒng)的可行性研究

2.1 海底觀測儀器實時姿態(tài)監(jiān)測

隨著世界各國海洋開發(fā)和海洋軍事領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對水下傳感網(wǎng)絡(luò)[5]、水下觀測監(jiān)視系統(tǒng)[6]、海底探測、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害防治、輔助導(dǎo)航、水雷探測等的需求越來越迫切。

在觀測設(shè)備在水下工作時，為了標示其位置并方便取回設(shè)備，一般用浮筒加錨鏈，再輔以人工看護的方式來守護儀器并保證其正常工作。但在實踐中，在某些惡劣風(fēng)浪條件或者船舶撞斷錨鏈時，浮筒就會飄走，這樣水下儀器或設(shè)備就無法找到并取回。此外當(dāng)監(jiān)測設(shè)備和儀器在水下工作時，如果儀器的姿態(tài)、位置在外力作用發(fā)生了變化，可能就會有所影響，需要及時調(diào)整，而浮筒加錨鏈的方式也無法知道儀器的實時姿態(tài)。據(jù)此，海底觀測監(jiān)測中，急需引入無線通信技術(shù)或者搭建水下無線網(wǎng)絡(luò)來保障海底設(shè)備與水上監(jiān)控的信息交互。

水下無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與常規(guī)的無線技術(shù)采用的傳輸介質(zhì)不同[7][8]，由于激光極易在水中產(chǎn)生散射，而采用聲波通信的話，水聲信道的傳輸條件十分惡劣，特別是淺海水聲信道，信道的帶寬有限，取決于距離和頻率，在這種有限的帶寬內(nèi)，聲信號受強環(huán)境噪聲，時變多徑的影響，可能會導(dǎo)致嚴重的碼間干擾(ISI)、大的多普勒頻移擴展及長的傳輸時延。如果采用無線電波來進行水下通信，由于水下無線通信的環(huán)境復(fù)雜多變、干擾以及電磁波衰減極為嚴重，要在海底進行傳輸只能在很低頻率下進行傳輸。水下無線射頻識別技術(shù)就是采用低頻段的RFID標簽。

2.2 海底設(shè)備的三維姿態(tài)

在地理坐標系中，物體在三維空間的姿態(tài)可以用航向角、俯仰角和傾斜角來表征。如果俯仰角和傾斜角都為00，那么物體被認為處于水平狀態(tài)。

通過測量物體在物體坐標系中的重力加速度的分量ax′(g )、 ay′(g)、az′( g )，可求得俯仰角θ和傾斜角φ如下：

2.3 確定系統(tǒng)設(shè)計方案

通過以上對觀測設(shè)備運行狀態(tài)的分析，本文提出的采用測量重力加速度在各個坐標軸分量的方法，可以監(jiān)測設(shè)備是否處于水平狀態(tài)。通過無線傳感器節(jié)點，可將觀測設(shè)備姿態(tài)通過無線方式最終發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口與PC機通信，最終實現(xiàn)海底觀測設(shè)備的實時監(jiān)測。

3 海底觀察設(shè)備無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于海底觀測設(shè)備進行狀態(tài)無線監(jiān)測，是通過部屬在設(shè)備的傳感器節(jié)點來采集和處理有關(guān)特征信息，監(jiān)測觀測設(shè)備的姿態(tài)。通過分析，確定系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下位機是由監(jiān)測節(jié)點（ZigBee終端節(jié)點）、路由器和協(xié)調(diào)器組成的分布式無線監(jiān)護網(wǎng)絡(luò)。利用ZigBee技術(shù)自組無線通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測節(jié)點實現(xiàn)觀測設(shè)備的實時監(jiān)測，并把監(jiān)測的姿態(tài)信息發(fā)送至監(jiān)測中心，路由器實現(xiàn)無線通信數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器建立并維護這個通信網(wǎng)絡(luò)且接收監(jiān)護節(jié)點、路由器發(fā)送來的監(jiān)測信息最后通過串口和 PC機進行數(shù)據(jù)交換。上位機是海底觀測設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該部分是由協(xié)調(diào)器通過RS232與PC機中海底觀測設(shè)備監(jiān)測信息管理系統(tǒng)建立通信。該信息管理系統(tǒng)顯示海底各個設(shè)備的姿態(tài)信息，工作人員通過此軟件可以方便的觀察海底設(shè)備實時姿態(tài)信息。

4 海底觀測設(shè)備無線檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

設(shè)計和實現(xiàn)基于ZigBee技術(shù)的海底設(shè)備檢測系統(tǒng)，需要完成以下4個關(guān)鍵部分技術(shù)：姿態(tài)監(jiān)測的設(shè)計與實現(xiàn)；節(jié)點射頻模塊及擴展電路設(shè)計；節(jié)點軟件開發(fā)；系統(tǒng)上位機軟件功能開發(fā)。

4.1 硬件設(shè)計

（1）加速度傳感器選型及其設(shè)計

本系統(tǒng)選用ST公司的LIS3LV02DQ。LIS3LV02DQ是一個三軸數(shù)字輸出的線性加速度計，每一個軸的數(shù)據(jù)輸出頻率可在640Hz以上。同時，它的測量范圍為2g或者6g，也滿足本設(shè)計的要求。其串行通信方式為SPI或者I2C，如圖3所示：

圖3 LIS3LV02DQ電路圖

（2）節(jié)點微處理器的選擇及其設(shè)計

符合 ZigBee協(xié)議規(guī)范的射頻芯片有：TI Chipcon的CC2420/30和CC2520/30、飛思卡爾（FreeScale）的MCl3192和MCl3193、美國赫立訊（Helicomm）的IP-1inkl270以及英國Jennie的JN5121等。本系統(tǒng)選擇了TI公司的CC2530，cc2530包含增強型8051內(nèi)核，可作為處理器計算物體的姿態(tài)，如圖4所示：

圖4 CC2530的外圍電路

（3）Zigbee節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，存在3種類型的節(jié)點，它們各司其職，協(xié)調(diào)有序地工作。根據(jù)這3種節(jié)點在本系統(tǒng)中的具體功能，給出具體的ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖。

1）監(jiān)測節(jié)點：它由微處理器（CC2530）、RF收發(fā)模塊、加速度測量模塊、電源管理模塊組成。監(jiān)測節(jié)點主要功能是監(jiān)測設(shè)備的姿態(tài)信息，它將采集到的數(shù)據(jù)進行處理，計算姿態(tài)等信息，再通過RF模塊發(fā)送給路由器或協(xié)調(diào)器。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示：

圖5 監(jiān)測節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

2）路由器：由微處理器（CC2530）、RF收發(fā)模塊、電源管理模塊組成。其主要功能是選擇最佳傳輸路徑并分組中繼轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，此外還有自愈ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能。在網(wǎng)絡(luò)中其數(shù)量不固定，根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和應(yīng)用規(guī)模來決定。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖6所示：

圖6 路由器結(jié)構(gòu)示意圖

3）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：由微處理器（CC2530）、RF收發(fā)模塊、電源以及通信模塊接口等部分組成。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中僅有一個協(xié)調(diào)器，主要負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、對消息傳輸進行路由選擇等功能。它通過RS232接口連接到PC，就可以將監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸至PC機中的海底觀測設(shè)備監(jiān)測信息管理系統(tǒng)進行解析，最后把相應(yīng)的提示顯示到界面上，更方便工作人員的查看。結(jié)構(gòu)示意圖，如圖7所示：

圖7 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括終端節(jié)點軟件設(shè)計、路由器節(jié)點協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計以及PC機監(jiān)測中心四部分。終端節(jié)點軟件部分負責(zé)設(shè)備加速度數(shù)據(jù)的采集、處理和通信功能，協(xié)調(diào)器負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備的數(shù)據(jù)收集和發(fā)送到PC機，PC機監(jiān)測中心就可以通過收集到的數(shù)據(jù)，顯示海底觀測設(shè)備的姿態(tài)信息。

（1）終端節(jié)點軟件設(shè)計

當(dāng)節(jié)點上電開機后，開始各個硬件的初始化，初始化完畢后，節(jié)點搜索協(xié)調(diào)器建立的 Zigbee網(wǎng)絡(luò)，并選擇合適的信道加入。加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點，自動上報自身的設(shè)備ID、網(wǎng)絡(luò)地址等信息至監(jiān)測中心，以便遠程pc機可顯示與之對應(yīng)的設(shè)備的姿態(tài)信息。

監(jiān)測節(jié)點的軟件設(shè)計在應(yīng)用層定義了加速度檢測事件，系統(tǒng)采用中斷的方式對加速度進行采集，當(dāng)定時中斷到來時，處理器進行數(shù)據(jù)采集，再經(jīng)軟件處理后計算出設(shè)備的姿態(tài)角度，最后把計算出的結(jié)果發(fā)送至監(jiān)測中心由界面顯示。其主程序流程圖，如圖8所示：

圖8 主程序流程圖

（2）路由節(jié)點軟件設(shè)計

由于節(jié)點分布的區(qū)域較大，而ZigBee數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x有限，因此系統(tǒng)在布置節(jié)點時需要在合適的位置放置路由器。路由器在數(shù)據(jù)傳輸中起到“接力棒”的作用，可以為接收到的數(shù)據(jù)幀尋找一條最佳的傳輸路徑，這不但可以使數(shù)據(jù)幀能夠安全高效的傳送到目的節(jié)點同時也大大地擴展了ZigBee網(wǎng)絡(luò)范圍。其主程序流程圖如圖所示。

（3）協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

在本系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要負責(zé)建網(wǎng)和管理，并且可以通過串行接口經(jīng)RS232總線連接至PC上，很方便的處理和解析接收到的各種數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)必須先滿足兩個條件，一是這個節(jié)點必須是FFD節(jié)點，具有協(xié)調(diào)器的功能；二是一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)僅且只有一個協(xié)調(diào)器；確定滿足這個兩個條件后，協(xié)調(diào)器將檢索出一個可用的干凈的信道并在此基礎(chǔ)上建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個唯一的PANID，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)成功后，其他節(jié)點可憑借PNAID加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，進而實現(xiàn)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。

（4）上位機軟件設(shè)計

海底觀測設(shè)備姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)使用 Visual C++語言設(shè)計出了監(jiān)測中心管理軟件。該軟件使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)和串口通信技術(shù)將設(shè)備姿態(tài)信息由界面顯示。

該界面中每個設(shè)備號與ZigBee監(jiān)測節(jié)點自定義的設(shè)備ID綁定，這樣可使工作人員就可實時了解各個設(shè)備的姿態(tài)信息。

5 總結(jié)

本文詳細提出并實現(xiàn)了基于 Zigbee的無線傳感網(wǎng)在海底觀測設(shè)備實時監(jiān)測中的應(yīng)用問題。該系統(tǒng)利用低頻無線傳感網(wǎng)技術(shù)，把海底觀測監(jiān)測設(shè)備的實時姿態(tài)信息傳遞給用戶，能讓用戶及時了解儀器工作狀態(tài)和故障信息，從而能有效地探測儀器設(shè)備的運行異常情況，減少和消除因儀器姿態(tài)異常引起的無效觀測數(shù)據(jù)，提高了海底觀測系統(tǒng)地工作效率和可信度。本技術(shù)同樣適用于其它水下設(shè)備姿態(tài)和相關(guān)信息的監(jiān)測，有較大的推廣價值。

[1]朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進展與趨勢[J].微型電腦應(yīng)用.2010,(1).

[2]孫利民等編著.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社.2005.5.

[3]無線龍. 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)系列教材：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)原理[M]. 北京，冶金工業(yè)出版社. 2011.9

[4]胡必武,蔡海濱.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的目標檢測與跟蹤系統(tǒng)研究[M].計算機工程與設(shè)計. 2008,第29卷，第5期.

[5]郭忠文 羅漢江. 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進展[J].計算機研究與發(fā)展. 2010年3期.

[6]顧相平,金鷹. 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信道研究[J]. 計算機與現(xiàn)代化. 2011年10期.

[7]周啟明. 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位算法分析與研究[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版. 2011年2期.

[8]周偉 來鴻飛. 水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點精確定位[J]. 指揮控制與仿真. 2007年1期.