無線傳感器網絡實驗系統(tǒng)開發(fā)

劉 明，董朋濤，王敬華，楊三平

（華中師范大學計算機學院，湖北武漢 430079）

無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSN）技術的飛速發(fā)展及其在各領域的成功應用，為人們學習WSN 技術提供新的動力。WSN 技術的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：網絡節(jié)點占用空間小，網絡部署不會對周圍環(huán)境造成太大影響；網絡節(jié)點數量大，具有多點覆蓋、準確性高的特點；節(jié)點本身具有一定的存儲和通信能力，節(jié)點間可進行協(xié)同監(jiān)測［1］。

WSN 用于城市環(huán)境監(jiān)測［2］，可以實現(xiàn)危險區(qū)域無人連續(xù)監(jiān)測、每個監(jiān)測點多個節(jié)點監(jiān)測等目標。WSN 應用于室內照明智能控制系統(tǒng)［3］，有效彌補了傳統(tǒng)照明管理落后、浪費能源、舒適性差及布線復雜等缺陷。WSN 應用于智能樓宇環(huán)境監(jiān)測［4］，可實現(xiàn)通信可靠、節(jié)點功耗低及能長時間工作的監(jiān)測系統(tǒng)。傳感器網絡的應用越來越廣泛，一套實用的WSN 實驗系統(tǒng)可以幫助學生快速掌握傳感器網絡技術。

組建傳感器網絡的技術很多，利用移動電話網（GSM，GPRS）組建則成本較高且數據采集精度較差、能耗較大、更換頻繁，且不適合長期監(jiān)測［5］。利用WIFI組建則功耗大，一般需用外接電源，組網不方便，適用范圍?。?］。利用藍牙技術組建則顯得太復雜，而且有功耗大、距離近、組網規(guī)模小等缺點［7］。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的網絡節(jié)點之間進行數據傳輸。WSN 實驗系統(tǒng)要求通信距離短、布設方便、成本低、工作時間長、自動組網和自動采集環(huán)境數據。因此ZigBee技術適用于WSN 實驗系統(tǒng)。實驗應用表明，本文設計的WSN 實驗系統(tǒng)可以滿足傳感器網絡課程實驗教學的需要。

1 WSN 實驗系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構

WSN 實驗系統(tǒng)主要組成見圖1。上位機控制中心收集、存儲和處理經ZigBee網絡傳輸的傳感器感知的環(huán)境數據及其他節(jié)點信息，響應ZigBee網絡節(jié)點請求和發(fā)送控制網絡節(jié)點的命令；遠程客戶端和PDA 終端可以通過互聯(lián)網訪問控制中心；ZigBee匯聚節(jié)點用于組網和管理網絡、響應與轉發(fā)控制中心命令和收集信息；若干ZigBee傳感節(jié)點加入網絡后，傳輸傳感器感知的環(huán)境數據及其他節(jié)點信息，將采集到的信息以多跳路由的方式發(fā)送到控制中心、響應ZigBee匯聚節(jié)點轉發(fā)來的控制中心的命令和根據需要轉發(fā)信息。

圖1 WSN 實驗系統(tǒng)體系架構

傳感器網絡實驗系統(tǒng)主要通過ZigBee無線通信網絡來實現(xiàn)信息的傳遞。

1.2 ZigBee無線網絡

1.2.1 傳感節(jié)點

傳感節(jié)點的協(xié)議棧運行在TI芯片CC2530，這是一款真正針對IEEE802.15.4、ZigBee和智能能源應用的片上系統(tǒng)解決方案［8］。CC2530 還集成了完全集成的高性能射頻收發(fā)器，帶有8051MCU、8 KB RAM、256KB 閃存以及強勁的外設支持功能。傳感節(jié)點的傳感器模塊包括各種感知環(huán)境數據的傳感器［9］。能量供應模塊有電池供電和外接5V 電源供電2 種方式。圖2 為傳感節(jié)點的結構框圖和實物圖。

圖2 傳感節(jié)點框圖和實物圖

本系統(tǒng)使用TI的Z－Stack2007 協(xié)議棧［10－11］，TI公司推出的Z－Stack是半開源的C 語言協(xié)議棧，具有很好的可移植性和很好的程序可讀性。Z－Stack協(xié)議棧已經實現(xiàn)了組網、路由等功能。根據系統(tǒng)的設計目標，需要添加應用代碼。監(jiān)控節(jié)點程序一般主要實現(xiàn)環(huán)境數據的采集和發(fā)送，及與匯聚節(jié)點交互等功能；根據安放的位置，監(jiān)控節(jié)點還可以成為一個路由節(jié)點，實現(xiàn)消息的中繼轉發(fā)。學生在做實驗時，可以在系統(tǒng)提供的程序代碼基礎上，編寫自己的程序以實現(xiàn)相應功能，比如編寫代碼以實現(xiàn)傳感節(jié)點周期性地向匯聚節(jié)點傳送感知的環(huán)境溫濕度信息。圖3為傳感節(jié)點周期性感知環(huán)境溫濕度，當溫度超出閾值時向匯聚節(jié)點發(fā)送報警信息的程序代碼的工作流程圖。

圖3 傳感節(jié)點工作流程圖

當傳感節(jié)點上電后，首先經歷一系列初始化工作，調用ZDO 層的初始化設備函數：

ZDOInitDevice（zgStartDelay）；

然后觸發(fā)網絡初始化函數：

ZDApp＿NetworkInit（extendedDelay）；

設置網絡初始化事件：osal＿set＿event（）；

調用NWK 層發(fā)現(xiàn)網絡請求函數：

NLME＿NetworkDiscoveryRequest（zgDefaultChannelList，zgDefaultStartingScanDuration）；

最終ZDO 層任務事件處理函數將執(zhí)行處理加入網絡函數：ZDApp＿ProcessNetworkJoin（）。

加入網絡后，傳感器周期地采樣和分析環(huán)境溫度信息，若超出閾值，調用osal＿set＿event（）函數觸發(fā)GENERICAPP＿SEND＿MSG＿EVT 事件發(fā)生，系統(tǒng)響應中斷，讀取數據并通過多跳路由向匯聚節(jié)點發(fā)送報告。匯聚節(jié)點收到報告后必須返回一個ACK（響應）包來響應報告信息，并通過串口向控制中心報告。發(fā)送信息的傳感節(jié)點必須通過收到ACK 包來驗證事件信息已經發(fā)送到匯聚節(jié)點。

1.2.2 ZigBee匯聚節(jié)點

ZigBee網絡中匯聚節(jié)點要完成網絡的維護、數據的上傳、命令的下達、網絡監(jiān)測和管理等功能，所以需要長時間地不間斷運行，同時由于外圍設備較多，匯聚節(jié)點的功耗較大，因而匯聚節(jié)點最好能夠工作在有外接電源的條件下，這樣才能保證系統(tǒng)長時間連續(xù)工作。圖4為匯聚節(jié)點結構框圖和實物圖。

圖4 匯聚節(jié)點框圖和實物圖

匯聚節(jié)點通過串口和控制中心進行通信。匯聚節(jié)點與控制中心通信要建立通信機制，匯聚節(jié)點是網絡控制的主要對象，匯聚節(jié)點的程序一方面負責網絡的配置和管理，包括定義通信信道、網絡標識符（PAN ID），配置網絡的Profile，響應節(jié)點加入網絡的請求，為其他節(jié)點分配網絡地址、維護路由表等；另一方面還接收各傳感節(jié)點發(fā)來的數據，并將其進行匯合整理后傳給控制中心。

學生可以用匯聚節(jié)點做一些有關CC2530芯片的單片機實驗，實驗結果可以通過串口傳送給PC 機。學生做WSN 實驗時，匯聚節(jié)點要和傳感節(jié)點配合使用，分別編寫匯聚節(jié)點和傳感節(jié)點的應用代碼，為了能使它們協(xié)同工作，需要在應用層建立它們的通信機制，比如定義統(tǒng)一的命令和數據格式，以便網絡節(jié)點接收到數據包時可以正確識別。做監(jiān)測環(huán)境溫度實驗時，傳感節(jié)點周期性感知環(huán)境溫度，當溫度超過閾值時，傳感節(jié)點向匯聚節(jié)點發(fā)送報警信息；匯聚節(jié)點響應傳感節(jié)點，并把報警信息傳送給控制中心。圖5為匯聚節(jié)點程序的工作流程圖。

當匯聚節(jié)點上電后，ZDO 層首先經歷一系列的初始化工作，然后調用ZDO 層的初始化設備函數：

ZDOInitDevice（0）；

最終觸發(fā)網絡初始化函數：

ZDApp＿NetworkInit（extendedDelay）；

設置網絡初始化事件：osal＿set＿event（）；

ZDO 層的任務事件處理函數對網絡初始化事件進行處理，即啟動該設備：

ZDO＿StartDevice（）；

調用NWK 層網絡形成請求函數：

NLME＿NetworkFormationRequest（）。

匯聚節(jié)點初始化網絡之后，處理其他節(jié)點加入網絡事件，接收控制中心經過串口發(fā)送過來的命令，接收傳感節(jié)點發(fā)送來的報警信息，向傳感節(jié)點反饋相應信息（ACK），向傳感節(jié)點轉發(fā)控制中心的控制命令。

1.3 控制中心軟件設計

控制中心軟件主要用于顯示實驗結果，主要包括數據接收、解析、顯示與管理，向學生發(fā)出報警信息，向網絡節(jié)點發(fā)送控制命令等幾個功能模塊。匯聚節(jié)點收集各個傳感節(jié)點的信息，數據融合整理后通過串口發(fā)送給控制中心PC機［12］。圖6為控制中心軟件功能模塊組成。

圖6 控制中心軟件功能模塊

2 實驗系統(tǒng)應用

可以利用傳感節(jié)點和匯聚節(jié)點構成一個無線傳感器網絡實驗系統(tǒng)。圖7所示的實驗系統(tǒng)用于實時監(jiān)測室內環(huán)境溫度和濕度。

圖7 溫度和濕度實時監(jiān)測實驗

圖8直觀顯示4個節(jié)點組成傳感器網絡的拓撲結構，以及監(jiān)測節(jié)點采集和傳送來的溫度和濕度等實驗信息。

圖8 傳感器網絡拓撲及數據監(jiān)測界面

圖9記錄一個6 m×6 m 的實驗室環(huán)境內24h溫、濕度的變化。學生可以從PC 機顯示的實驗曲線上，認識傳感器網絡實驗系統(tǒng)實時測得的室內溫濕度變化情況。

3 結束語

圖9 24h內溫濕度變化曲線

WSN 在工業(yè)生產和日常生活中有著廣泛的應用前景，ZigBee技術正是因網絡通信應用的需要而產生。目前針對ZigBee技術的應用和研究蓬勃發(fā)展，未來有廣闊的發(fā)展前景。本文設計的WSN 實驗系統(tǒng)可以幫助學生深入學習傳感器網絡技術，學生可以直觀地搭建網絡和觀測實驗數據。實踐表明，本系統(tǒng)具有可靠性高、實用性強等特點，為傳感器網絡實驗提供了一種有效的解決方案。

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