基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊普松

摘 要：文章提出一種基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件部分由信息采集單元、信息處理單元、通信單元和電源單元這四部分構(gòu)成；軟件部分以ZigBee通信協(xié)議為基礎(chǔ)構(gòu)建了一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。該無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有自主組網(wǎng)、自動(dòng)路由的功能優(yōu)勢(shì)，節(jié)點(diǎn)能量消耗低，并且無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可自由加入。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議棧；環(huán)境監(jiān)測(cè)；自動(dòng)組網(wǎng)

1 概述

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)普遍將無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)部署大量無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)以無(wú)線通信的形式構(gòu)成自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。文章提出一種基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

2 無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)主要由信息采集單元、信息處理單元、通信單元和電源單元這四部分構(gòu)成。按照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，則網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照功能劃分可分為三種類型的節(jié)點(diǎn)，如圖1所示，顏色最深的節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)Co-ordinator，顏色較淺的節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)Router，顏色最淺的節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)End Device。以2.4GHz載頻作為無(wú)線環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的通信頻段，利用終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境信息采集，利用路由節(jié)點(diǎn)對(duì)接收到的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，利用協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)作為橋梁與計(jì)算機(jī)交互數(shù)據(jù)。

2.1 信息采集單元的設(shè)計(jì)

文章將溫度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，采用DS18B20溫度傳感器作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫度信息采集單元，該傳感器采用T0-92的封裝形式，溫度監(jiān)測(cè)的范圍為-55℃-120℃，溫度精確度可達(dá)0.005℃。DS18B20可以將輸出的引腳與A/D轉(zhuǎn)換器相連。

2.2 信息處理單元的設(shè)計(jì)

信息處理單元為ARM系列的LPC2138嵌入式處理器，該處理器內(nèi)部資源豐富，包括SPI、GPIO、RTC、TIMER、PWM、ADV等，很方便對(duì)節(jié)點(diǎn)的工作方式、發(fā)射功率、接收靈敏度、信息傳輸與處理等進(jìn)行控制，同時(shí)可以對(duì)節(jié)點(diǎn)電源進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能耗的控制。

2.3 通信單元的設(shè)計(jì)

通信單元采用的芯片型號(hào)為JN5139，它兼容IEEE 802.14.4無(wú)線通信協(xié)議和IEEE 802.15.4的2.4GHz收發(fā)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括192KB FLASH，能夠內(nèi)置完整的ZigBee協(xié)議棧。通信單元與信息處理單元通過(guò)SPI接口連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

2.4 電源單元的設(shè)計(jì)

電源單元的供電電路采用的是DC-DC MAX756模塊，MAX756是性能優(yōu)越的3.3V/5V的升壓轉(zhuǎn)換模塊，其最低的輸入電壓可至0.7V，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)500KHz，該模塊也可以對(duì)電池的容量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3 ZigBee協(xié)議棧的自動(dòng)組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示從左到右分別為星形、樹(shù)形和網(wǎng)形。在覆蓋范圍內(nèi)，采用AODV路由協(xié)議查詢信息接收節(jié)點(diǎn)和信息傳輸路徑，直至搜索到合適的節(jié)點(diǎn)和路徑，得到應(yīng)答信號(hào)，最后應(yīng)答信號(hào)會(huì)反饋到信息發(fā)送節(jié)點(diǎn)，并保留該路由信息。系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，若該條路由信息失效，則搜索新的路由信息，從而保證信息傳輸路徑的有效性。

3.1 無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

在基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，只有協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)能夠構(gòu)建無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程是通過(guò)原語(yǔ)完成的，具體方法如下所述：在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層對(duì)NLME_NETWORK_FORMA TION.request原語(yǔ)進(jìn)行調(diào)取，下達(dá)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的指令，該條指令被發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，向MAC層下達(dá)信道能量掃描的指令，調(diào)用MLME_SCAN. Request 原語(yǔ)，搜尋到能量值低于預(yù)設(shè)值的信道，并將掃描結(jié)果標(biāo)記為可用信道，可以使用這些可用信道尋找通信節(jié)點(diǎn)，從而搜尋到一個(gè)最優(yōu)信道，該信道中包括最少的通信節(jié)點(diǎn)，然后任意選取一個(gè)不發(fā)生沖突的PAN，并在MAC層標(biāo)記該ID信息，通過(guò)ID信號(hào)可以發(fā)送MLME_START.request 原語(yǔ)，得到PAN ID和信道掃描結(jié)果，并使用confirm原語(yǔ)將掃描結(jié)果通知上層。獲得PAN的使用情況后，NLME利用NLME_NETWORK_FORMA TION.request原語(yǔ)向應(yīng)用層下達(dá)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的指令。

3.2 無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的加入

通過(guò)上述方法構(gòu)建無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)關(guān)聯(lián)法的方式加入?yún)f(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，具體過(guò)程如下所述：（1）協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)調(diào)用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語(yǔ)，網(wǎng)絡(luò)層接收到該條指令后，會(huì)在MAC層進(jìn)行掃描，當(dāng)MAC層結(jié)束掃描，就會(huì)發(fā)送MLME_SCAN.confirm原語(yǔ)向網(wǎng)絡(luò)層反饋該信息，網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原語(yǔ)向應(yīng)用層反饋該信息，應(yīng)用層根據(jù)該信息調(diào)用NLME_JOIN.request原語(yǔ)，重新掃描可加入的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。如果無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層接收MLME_ASSOCIATE.confirm原語(yǔ)，將包括該無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)的16位的邏輯地址，在網(wǎng)絡(luò)層中設(shè)置與其它節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)中加入該新的無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)。（2）假設(shè)無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由的形式加入到無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，它的應(yīng)用層將向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送NLME_STAT_ROUTER.request原語(yǔ)，接著網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送MLME_STAT.request原語(yǔ)，網(wǎng)絡(luò)層接收到MLME_START.confirm原語(yǔ)后發(fā)送同樣狀態(tài)值的MLME_START.ROUTER.confirm原語(yǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境檢測(cè)的需求，文章提出一種基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有自主組網(wǎng)、自動(dòng)路由的功能優(yōu)勢(shì)，節(jié)點(diǎn)能量消耗低，并且無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)可自由加入，從而實(shí)現(xiàn)了更節(jié)能環(huán)保、更智能的環(huán)境監(jiān)測(cè)。

參考文獻(xiàn)

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