基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)教學(xué)研究

●李合軍

一、概述

（一）ZigBee 協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)單片機(jī)發(fā)展的過程較長(zhǎng)，在傳統(tǒng)單片機(jī)發(fā)展的過程中也遇到了一些問題。因此，在傳統(tǒng)單片機(jī)發(fā)展到一定階段后，出現(xiàn)了無線單片機(jī)。從傳統(tǒng)單片機(jī)到無線單片機(jī)的過渡和轉(zhuǎn)化過程在本文中有必要進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述和探討。在對(duì)上述內(nèi)容的進(jìn)行研究和探討的基礎(chǔ)上，筆者基于ZigBee 協(xié)議提出了一種新型的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。該種教學(xué)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ揭舱且劳袩o線傳感器網(wǎng)絡(luò)完成的。在該種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶徒虒W(xué)系統(tǒng)中，分布有不同的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過網(wǎng)絡(luò)互相連接，形成了一種新型的架構(gòu)模式。不同的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器之間的組合形成的不同樣式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這種設(shè)計(jì)下，不同的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)所采集到的所有有效數(shù)據(jù)將會(huì)利用構(gòu)建的連接的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，并最終傳輸?shù)接脩舻慕K端設(shè)備上，以此來完成整個(gè)傳輸活動(dòng)。除此之外，處于終端控制位置的用戶群體同時(shí)也能通過網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸對(duì)架構(gòu)上的各個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。通過這種架構(gòu)模式，可以實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)碾p向互動(dòng)，用戶可以便捷的控制無線傳感器節(jié)點(diǎn)，無線傳感器采集到的信息也可以及時(shí)返回用戶終端。

（二）單片機(jī)演變歷程

單片機(jī)相關(guān)技術(shù)在世界范圍內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間，在發(fā)展階段內(nèi)單片機(jī)在運(yùn)行速度上也有了明顯的提升和優(yōu)化。該種提升為單片機(jī)的計(jì)算和應(yīng)用帶了諸多便捷條件和優(yōu)勢(shì)。具體而言，單片機(jī)在最初的發(fā)展階段為8 位單片機(jī)，經(jīng)歷長(zhǎng)期的技術(shù)更迭，單片機(jī)技術(shù)逐漸演變到32 位單片機(jī)。單片機(jī)技術(shù)也因此帶來了技術(shù)上的大發(fā)展。從客觀上來看，上述單片機(jī)的發(fā)展和技術(shù)更迭主要體現(xiàn)在運(yùn)行速度上，這種改變實(shí)質(zhì)上是數(shù)量上的改變而非本質(zhì)的改變。只有單片機(jī)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍才能被稱之為根本上的更迭和變化。具體而言，單片機(jī)技術(shù)只有實(shí)現(xiàn)了無線化、無線網(wǎng)絡(luò)化，并將無線功能進(jìn)行集成，才屬于單片機(jī)技術(shù)的飛躍和發(fā)展。單片機(jī)在實(shí)現(xiàn)了無線化和無線網(wǎng)路傳感器的集成的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更廣的應(yīng)用范圍，并且可以更深刻的產(chǎn)業(yè)變革。因此，上述的單片機(jī)技術(shù)的變革更具應(yīng)用價(jià)值。但是，無論是無線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的更新還是單片機(jī)技術(shù)的更迭都會(huì)給教學(xué)活動(dòng)帶來新的挑戰(zhàn)。因此，本文的研究具有一定的實(shí)踐價(jià)值。

二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)單片機(jī)教學(xué)與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

ZigBee 協(xié)議下的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成由不同的設(shè)備組成。具體而言，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)需要包括PC 設(shè)備。PC 設(shè)備在整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處于核心位置。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)還包括了網(wǎng)關(guān)相關(guān)設(shè)備和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的各項(xiàng)設(shè)備在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中都需要通過無線網(wǎng)路進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。

（一）系統(tǒng)連接模式

該套系統(tǒng)的連接模式具體闡述如下：PC 機(jī)是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制部分。PC 設(shè)備與系統(tǒng)內(nèi)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接，PC 設(shè)備將通過網(wǎng)關(guān)作為中介設(shè)備與系統(tǒng)中的其他設(shè)備進(jìn)行連接，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制活動(dòng)。網(wǎng)關(guān)將實(shí)現(xiàn)與其他各種類型的多數(shù)量設(shè)備進(jìn)行連接。網(wǎng)關(guān)連接的設(shè)備主要有兩類，第一類是的路由設(shè)備，第二類是傳感器設(shè)備。路由設(shè)備和傳感器設(shè)備的數(shù)量和具體布置方案將根據(jù)實(shí)際需求情況進(jìn)行分配和安裝。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的方案屬于可變更的靈活狀態(tài)，這也是為了能夠在實(shí)踐活動(dòng)中方便使用和配置。在標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式下，網(wǎng)關(guān)設(shè)備后假設(shè)了五臺(tái)路由設(shè)備，路由設(shè)備分為三個(gè)配置路徑。網(wǎng)關(guān)后的三臺(tái)路由設(shè)備后又增設(shè)了若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。在本套設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，分別將其標(biāo)記為路由設(shè)備A、B、C，分別將路由設(shè)備后連接的七個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為傳感器節(jié)點(diǎn)1、傳感器節(jié)點(diǎn)2、傳感器節(jié)點(diǎn)3、傳感器節(jié)點(diǎn)4、傳感器節(jié)點(diǎn)5、傳感器節(jié)點(diǎn)6、傳感器節(jié)點(diǎn)7。其中，路由設(shè)備A分為兩條配置路徑，其中第一條配置路徑連接了傳感器節(jié)點(diǎn)1,第二條配置路徑連接了傳感器節(jié)點(diǎn)2。在路由設(shè)備B 的配置方面，路由設(shè)備B 與路由設(shè)備C 之間存在中繼關(guān)系。PC 終端發(fā)出的設(shè)備信號(hào)會(huì)經(jīng)過兩臺(tái)路由設(shè)備進(jìn)行傳輸。同樣地，由無線網(wǎng)絡(luò)傳感器采集到的信息也會(huì)通過雙重路由設(shè)備的中繼到達(dá)PC 設(shè)備。通過上述信息傳輸渠道的構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)之間和PC 設(shè)備之間信息有效傳輸。路由設(shè)備C 最終連接與剩余的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的聯(lián)系。

系統(tǒng)連接模式示意圖

（二）關(guān)鍵設(shè)備介紹

1.PC 設(shè)備。在該設(shè)備中將設(shè)置多臺(tái)PC 設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)不同的工作任務(wù)和目標(biāo)。在不同的PC 端之間可以實(shí)時(shí)保持連接，以獲得操作和任務(wù)的同步進(jìn)行。在多個(gè)PC 端與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的連接時(shí)，本設(shè)計(jì)采用了有線連接的方式。其原因主要是由于實(shí)體網(wǎng)線可以保證連接的穩(wěn)定性。除此之外，PC 設(shè)備上還設(shè)置了可視化的上機(jī)位畫面，通過可視化的操作界面可以使該系統(tǒng)的操作更加便捷，更易于實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目的。PC 設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間建立的連接，主要可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)PC 設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間的通信，使整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)之間保持及時(shí)的信息交流。（2）PC 端可以通過與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察系統(tǒng)運(yùn)行狀況的功能。（3）PC 端可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，系統(tǒng)運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)將實(shí)時(shí)反饋在PC 設(shè)備上，可以使用戶便捷的掌握到系統(tǒng)運(yùn)行的各種狀況。（4）PC 端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。PC 端的可視化面板上將會(huì)顯示各種控制參數(shù)，用戶可以實(shí)現(xiàn)便捷地對(duì)各項(xiàng)功能進(jìn)行控制和操作。

2.網(wǎng)關(guān)設(shè)備。在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)設(shè)備主要起到了建立網(wǎng)絡(luò)連接的作用。本文中研究的系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備之間必須依靠有效的網(wǎng)絡(luò)連接才能實(shí)現(xiàn)。通常運(yùn)行狀態(tài)下，PC 端發(fā)送的指令將通過網(wǎng)關(guān)向的其他設(shè)備進(jìn)行傳輸。PC 端將發(fā)送的指令傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備再將相應(yīng)的指令發(fā)送至路由節(jié)點(diǎn)和其他終端傳感器節(jié)點(diǎn)。同樣地，終端傳感器節(jié)點(diǎn)也可以將其采集到的信息通過路由設(shè)備傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，最終將所需數(shù)據(jù)傳輸至PC 端。

3. 路由節(jié)點(diǎn)及設(shè)備。由于終端設(shè)備數(shù)量通常情況下較多且分布較廣。因此，網(wǎng)關(guān)設(shè)備不可能與每一個(gè)終端傳感器節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生連接，此時(shí)就需要路由節(jié)點(diǎn)及設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的中繼服務(wù)。

4. 終端傳感器設(shè)備。終端傳感器設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)的功能是采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)。其中包括對(duì)各種環(huán)境數(shù)據(jù)的采集活動(dòng)，例如可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的控制以及對(duì)溫度數(shù)據(jù)以及光照數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

三、軟件平臺(tái)

（一）軟件平臺(tái)功能

在該系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了上位機(jī)ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，該軟件可以實(shí)現(xiàn)可視化顯示的功能。這種可視化顯示主要是基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。除此之外，該軟件還可以實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取以及可視化。具體而言，可以實(shí)現(xiàn)讀取溫度、光敏值、信號(hào)強(qiáng)度的讀取和可視化顯示。這為用戶使用帶來了較強(qiáng)的便利性。該軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的程序配置和下載、拓展實(shí)驗(yàn)過程中所需要的其他配置等功能。

（二）ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件的特點(diǎn)

ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件的特點(diǎn)主要有以下五點(diǎn)：其一，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控并管理。使用戶可以實(shí)時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。其二，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。其三，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。其四，可以實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送和信號(hào)的傳輸功能。其五，可以通過PC 對(duì)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置。

四、結(jié)語

在本文中，筆者研究和設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)將傳感器所收集到的信息通過路由設(shè)備進(jìn)行中繼后，再通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備傳輸至PC 端，PC 端作為主控電腦可以通過運(yùn)用相應(yīng)的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可視化的讀取。在用戶使用的過程中，也可以通過操作主控電腦對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單獨(dú)控制。本文中設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等功能。但是其作為一種教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。將其他類型的傳感器設(shè)備或其他裝置增添至該系統(tǒng)內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)更加豐富的功能。因此，本文中所提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的單片機(jī)教學(xué)系統(tǒng)有著較強(qiáng)的實(shí)用性，可以滿足多種實(shí)際需要。