基于ZigBee協(xié)議無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的節(jié)點(diǎn)設(shè)計

丁唯君

摘 要： 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測中的特點(diǎn)，在分析ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計。針對節(jié)點(diǎn)計算能力、通信帶寬、存儲容量有限等特點(diǎn)，本文運(yùn)用了無阻塞設(shè)計等方法，實(shí)現(xiàn)了傳感數(shù)據(jù)的采集和傳輸。

關(guān)鍵詞： ZigBee； 無線傳感器； 節(jié)點(diǎn)

中圖分類號： TN 92 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號： 1671-2153（2015）06-0083-04

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門獲取和處理信息的新興技術(shù)，它綜合了微電子技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式處理技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，其主體是低成本、低功耗、多功能的集成化微型傳感器；它能夠?qū)崟r感知、監(jiān)測、采集、處理和傳輸各類監(jiān)測對象或周圍環(huán)境的信息，具有動態(tài)性、自組織等優(yōu)點(diǎn)，目前正廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)組成。本文主要針對環(huán)保數(shù)據(jù)監(jiān)測，因此在分析ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在選好網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的硬件后，主要針對協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行程序設(shè)計。

1 ZigBee協(xié)議簡介[1]

ZigBee協(xié)議主要用于消耗低、距離短、成本低和傳輸速率不高的雙向無線通信。在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上建立了ZigBee協(xié)議架構(gòu)，它包括MAC層、PHY層、NWK層。

Jennic公司在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上提供了Basic Operating System（BOS）。BOS調(diào)用用戶程序的接口由若干個接口函數(shù)組成。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測的硬件選擇

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分就是無線傳感器節(jié)點(diǎn)，設(shè)計時需要考慮：微型化，擴(kuò)展性和靈活性，穩(wěn)定性和安全性，低成本，低功耗，高強(qiáng)壯性和容錯性等特點(diǎn)。為了減少外圍器件的數(shù)量， ZigBee無線處理器集處理器和射頻收發(fā)器于一體，大大降低硬件開發(fā)難度與成本。綜合考慮處理器價格、CPU處理能力、高集成度、低功耗、等因素，本文選用Jennic公司的JN5139-Z01-M00通信模塊。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

3.1 軟件開發(fā)平臺

節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，軟件設(shè)計起著舉足輕重的作用。為了本著易用方便的原則， 用戶可以方便地從Jennic公司處拿到IEEE802.15.4MAC和ZigBee協(xié)議包，按照說明進(jìn)行安裝，就可開發(fā)基于ZigBee協(xié)議的程序，調(diào)試和編譯也只需在CodeBlocks集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。用戶程序被編譯成二進(jìn)制文件后，通過Programmer軟件下載到JN5139的Flash中，就可以在JN5139模塊上運(yùn)行。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)，包括以下幾步[2]：創(chuàng)建PAN coordinator、選擇PAN ID和coordinator的短地址、選擇射頻頻率、啟動網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)上電時，首先對設(shè)備進(jìn)行初始化，以及BOS的啟動。其次將協(xié)調(diào)器作為注冊節(jié)點(diǎn)，并設(shè)置短地址和網(wǎng)絡(luò)ID，協(xié)調(diào)器選擇射頻通道后啟動網(wǎng)絡(luò)，同時相應(yīng)終端設(shè)備或路由器申請加入網(wǎng)絡(luò)的要求。BOS是Jennic ZigBee協(xié)議中一個基本操作系統(tǒng)。同時，BOS控制ZigBee協(xié)議棧任務(wù)和用戶任務(wù)的執(zhí)行。協(xié)調(diào)器接收并向串口發(fā)送數(shù)據(jù)部分程序代碼如下：

3.3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器。節(jié)點(diǎn)接電、初始化后進(jìn)行信道查詢，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)申請加入。成功加入網(wǎng)絡(luò)后，讀取傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送至協(xié)調(diào)器。

以光強(qiáng)數(shù)據(jù)采集為例，介紹傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集功能。TSL2561是一個光-數(shù)字傳感器，它以I2C總線標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。

I2C[3-4]總線不在進(jìn)行任何操作控制時，時鐘線SCL與數(shù)據(jù)線SDA總是處于高電平輸出狀態(tài)。當(dāng)控制系統(tǒng)被操作時，I2C總線的主機(jī)將發(fā)出啟動信號，使數(shù)據(jù)線SDA由高電平變?yōu)榈碗娖剑瑫r時鐘線SCL也發(fā)出時鐘信號。JN5139向TSL2561發(fā)送命令的時序如圖1所示。

部分代碼程序如下：

字符數(shù)據(jù)傳送函數(shù)send_byte（），將地址或數(shù)據(jù)發(fā)送出去，等待回應(yīng)，此時對狀態(tài)位進(jìn)行操作（被控器無應(yīng)答或損壞時，狀態(tài)變?yōu)椴粦?yīng)答或非應(yīng)答，ack=0）；發(fā)送數(shù)據(jù)正常則ack=1。

重點(diǎn)在于無阻塞節(jié)點(diǎn)的設(shè)計：

（1） AD轉(zhuǎn)換

由于從傳感器傳送到JN5139的信號都是0～2.4V標(biāo)準(zhǔn)電壓，它通過ReadADC（）函數(shù)來完成模數(shù)轉(zhuǎn)換常見的數(shù)據(jù)量。AD轉(zhuǎn)換會消耗一些時間，在轉(zhuǎn)換過程中，BOS不能執(zhí)行其他任何任務(wù)，它一直在等待，因此會出現(xiàn)阻塞，降低了CPU的利用率。針對這種情況，本文采用無阻塞方法來執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，即：在每一次讀取指令到來時，如果CPU處于忙碌狀態(tài)，那么自動跳到中斷，防止ADC通道阻塞，節(jié)省了時間。無阻塞流程圖如圖2所示。

（2）數(shù)據(jù)發(fā)送

傳感器節(jié)點(diǎn)程序的重要組成就是數(shù)據(jù)發(fā)送。它將傳感器節(jié)點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)、網(wǎng)絡(luò)地址等重要信息以多跳方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計中，采用格式更為靈活的MSG幀格式，其定義如圖3所示。

MSG服務(wù)促使一個應(yīng)用剖面用自由形式的幀格式工作，它由自己的應(yīng)用剖面定義，對數(shù)據(jù)格式不作要求，適合任何格式的數(shù)據(jù)傳輸。因此可以用于傳送數(shù)據(jù)量大的信息。

4 結(jié)束語

本文主要介紹了監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)設(shè)計，包括利用JN5139開發(fā)ZigBee網(wǎng)絡(luò)流程，協(xié)調(diào)器、傳感器、路由器等部分主要程序的設(shè)計。隨著無線傳感技術(shù)的不斷發(fā)展、不同領(lǐng)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一定有著廣闊的發(fā)展空間，促進(jìn)信息技術(shù)應(yīng)用更加普及。同時，隨著人們生活水平的不斷提高，對生活舒適度的不斷追求，相信在不久的將來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將完全融入到人們的日常生活當(dāng)中，為人們的日常工作服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2] 徐志遠(yuǎn)，許賀楠，凌志浩. JN5121無線控制器的功能剖析及應(yīng)用探討[M]. 自動化儀表，2008，5（29）：61-63.

[3] 李國平，武海艷. C51實(shí)現(xiàn)I2C總線的應(yīng)用研究[J]. 福建電腦，2006（9）：168-168，182.

[4] DENG J， HAN Y S，HEINZELMAN W B，et al.Seheduling sleeping nodes in high density cluster-based sensor networks，ACM/Kluwer Mobile Networks and Applieations（MONET）speeial issu on[J]. Energy Constraints and Lifetime Performance in Wireless Sensor Networks，2004（9）：18-19.

[5] 袁道敏，萬健，何必仕. 一種使用的ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由算法[M]. 杭州電子科技大學(xué)學(xué)報，2009，2（29）：44-47.