張 罡

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，武漢 430050)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是當前國際上備受關(guān)注的前沿熱點研究領(lǐng)域。它集傳感器技術(shù)、嵌入式處理技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術(shù)以及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)于一身，通過節(jié)點集成的微傳感器協(xié)作感知、實時監(jiān)測目標環(huán)境的信息，并將這些信息利用無線方式發(fā)送到用戶終端。因此利用無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)構(gòu)建的遠程監(jiān)測系統(tǒng)可以解決傳統(tǒng)模式中布線難和管理難的問題，可以遠程獲取大量詳實而可靠的數(shù)據(jù)。無線通信技術(shù)上，由于傳輸數(shù)據(jù)量小且不需要很高的傳輸速率，而對于資源受限的微傳感器節(jié)點成本和能量至關(guān)重要，因此必須選擇一種低功耗、低成本的通信機制，ZigBee標準的公布解決了這一問題[1,2]。

1 ZigBee技術(shù)及其特點

作為一種雙向無線通信技術(shù)的ZigBee技術(shù)來說，其具有低功耗、低速率、低成本，同時還滿足短距離和低復雜度的要求，主要使用的范圍為工業(yè)控制傳感和遠程控制相關(guān)方面，其10～75m為其主要傳輸距離，工作為2.4GHz的ISM頻段上，同時，傳輸速率為20～250kbps。

1.1 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議?；陂_放互聯(lián)模型(OSI)采用的五層模型分別為：物理層、介質(zhì)訪問層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層和應用匯聚子層、應用層。

1）物理層。兩種物理層使用相同的數(shù)據(jù)幀格式，采用直接擴頻技術(shù)(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)降低了數(shù)字集成電路的成本，但是需要注意的是，不同之處在于其調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度、工作頻率和傳輸速率等方面。這里采用2.4GHz頻段全球通用的，一般為10一26共16個信道提供250kbps傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)裁方式。

2）數(shù)據(jù)鏈路層。其中，在IEEES02系列標準中，媒體接人控制層MAC(Media Access Control，MAC)和邏輯鏈路控制層LLC(Logical Link Control，LLC)為數(shù)據(jù)鏈路層兩個主要方面。MAC子層使用物理層提供的服務實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，其設計目標是低成本、低功耗和低復雜度。LLC子層主要完成傳輸控制、數(shù)據(jù)包分段、重組、傳輸?shù)裙δ堋?shù)據(jù)鏈路層的四種幀類型為：數(shù)據(jù)幀、信標幀、命令幀和確認幀。ZigBee采用載波偵聽多址／沖突避免(CSMACA)信道訪問方式和完全握手協(xié)議來提高傳輸可靠性。

3）網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層采用基于Ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡協(xié)議減小功耗和成本并具有高度動態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)和自組織、自維護的功能。網(wǎng)絡定義了兩種設備：全功能設備(FFD)和簡化功能設備(RFD)。FFD可以與任何類型設備通信，承擔網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者和路由的功能。RFD只能與FFD通信。組網(wǎng)方式有三種：星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和樹狀網(wǎng)。

4）應用層。主要是用戶應用相關(guān)的代碼以及一些應用接口，將不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡層如：設備的發(fā)現(xiàn)、入網(wǎng)以及事件的發(fā)現(xiàn)等。

1.2 ZigBee的主要特點

第一，具有較高的通信數(shù)據(jù)可靠性。為了有效避免數(shù)據(jù)發(fā)送時候的競爭和沖突問題，CSMACA的避免碰撞機制在ZigBee中被采用，同時專用時隙也為固定帶寬的通信業(yè)務所預先保留。完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制在MAC層中得以保存，另外，較高的通信可靠性通過每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息來體現(xiàn)。另外，AES-128為其加密算法，同時，數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能在ZigBee系統(tǒng)中也很有必要，其安全屬性可以通過協(xié)議棧的各層靈活確定。

第二，設備接入網(wǎng)絡快，同時時延較短。對于設備接入網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)傳送的延時時間來說，一般的時延都在15ms到30ms之間，這樣特點在實時的監(jiān)測和控制應用中就顯得十分必要。

第三，具有低成本的省電功能。降低成本可以通過ZigBee協(xié)議免專利費實現(xiàn)，同時多種節(jié)電工作模式在ZigBee協(xié)議中體現(xiàn)，數(shù)據(jù)收發(fā)功耗極低，這樣普通的五號電池就能滿足長達6個月到2年左右的正常使用。

第四，網(wǎng)絡容量大。65536個網(wǎng)絡可以在每個信道上存儲，另外，65536個網(wǎng)絡設備可以在每個網(wǎng)絡上存儲，這樣就說明了在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)絡容量極其龐大特點。

第五，網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強。對于ZigBee網(wǎng)絡來說，周圍節(jié)點可以自動進行感應，在沒有人工干預的情況下而進行組建網(wǎng)絡；另外，ZigBee網(wǎng)絡能夠自我修復由于節(jié)點失效或位置變動會破壞網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的情況，同時相應調(diào)整網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使得正常的系統(tǒng)得以工作。

2 ZigBee無線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

在某監(jiān)測區(qū)域，通過人工布置載有不同類型傳感器的節(jié)點，這些節(jié)點通過ZigBee協(xié)議自動組建網(wǎng)絡，以協(xié)作的方式適時感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中的信息，并通過多跳網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)至基站，基站通過與PC機連接，存儲節(jié)點信息并進行初步分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳送到遠程專家進行統(tǒng)計、分析與判斷。

2.1 硬件設計

典型的傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理模塊、通信模塊以及電源模塊組成。我們采用Jennic公司生產(chǎn)的JN5139-Z01-M0模塊，該模塊是集成微處理器和RF收發(fā)芯片一體的SOC芯片；傳感器模塊采用SHT10板載溫濕度傳感器芯片；電源使用兩節(jié)1.5V電池。

JN5139-Z01-M00模塊從低功耗、低成本出發(fā)采用RISC結(jié)構(gòu)，吸取了PIC及8051單片機的優(yōu)點，具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口，提供了多種電源管理模式，盡量節(jié)省節(jié)點能源；集成的RF射頻組件不需要射頻電路的調(diào)試，數(shù)據(jù)收發(fā)時電流僅為37mA，而且完全兼容2．4GHz IEEE802.15.4的收發(fā)器為ZigBee協(xié)議的應用提供保證；JN5139使用硬件MAC和高度安全的AES加密加速器，保證了低功耗和處理器的最小工作負荷。SHTl0集成傳感器模塊體積小，靈敏度高而且功耗低，可以將采集的溫度值以數(shù)字直接傳到微處理器，免去了外圍電路的設計。電源單元加入了低功耗的管理與控制，當節(jié)點不工作的時候系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，關(guān)閉通信單元供電CPU進入低功耗模式以節(jié)省電能。另外，節(jié)點還有RS232接口用來將用戶程序代碼寫入JN5139的FLASH存儲器，將匯聚節(jié)點收集數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機；以及I／O擴展口用來擴展片外存儲器或其他傳感器模塊以實現(xiàn)新的功能。

2.2 軟件設計

在系統(tǒng)軟件程序設計時，采用Jennie公司Code：：Blocks作為開發(fā)環(huán)境，基站采用串口通信模式，利用中斷的方法來完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。節(jié)點向基站發(fā)送中斷請求，基站喚醒將節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到PC機，另外基站也負責將本身收集數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機。平時節(jié)點都處于休眠模式，當有中斷時才喚醒工作。

軟件程序由基站和節(jié)點程序組成。節(jié)點電源打開后，初始化ZigBee模塊和傳感器模塊的一些參數(shù)，建立通信鏈路后進入休眠模式。當基站收到節(jié)點的中斷請求時觸發(fā)中斷，激活節(jié)點打開通信單元接收數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的處理，通過串行口將數(shù)據(jù)包發(fā)送到PC機。節(jié)點初始化過程中主要是對節(jié)點協(xié)議棧和傳感器模塊的初始化，而后進自動調(diào)用任務調(diào)度系統(tǒng)當有數(shù)據(jù)發(fā)送請求時節(jié)點會自動喚醒調(diào)用系統(tǒng)的AppWarmStart()函數(shù)，進入主程序，開始將采集到的數(shù)據(jù)向基站請求發(fā)送，基站回應后開始數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸時設置了閥值來判斷數(shù)據(jù)是否傳輸完成。完成數(shù)據(jù)的傳輸后節(jié)點會自動進入休眠模式。

2.3 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型、樹狀和網(wǎng)狀三種結(jié)構(gòu)。其中網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)健壯性最好，有多條鏈路可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；樹狀依賴于各個主干節(jié)點，當有一個主干節(jié)點失效可能造成其他節(jié)點鏈路的中斷；而星型網(wǎng)絡簡單易于實現(xiàn)，可用于小范圍的網(wǎng)絡監(jiān)測。由于本系統(tǒng)實現(xiàn)的是對設備的狀態(tài)監(jiān)測，規(guī)模和監(jiān)測范圍不是很大，因此采用簡單的星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)要求，通過多個節(jié)點不同傳感器的數(shù)據(jù)綜合分析可以判斷監(jiān)測區(qū)域的狀態(tài)。

系統(tǒng)啟動后，基站根據(jù)拓撲協(xié)議進行網(wǎng)絡的組建，為節(jié)點分配短地址，當節(jié)點收到后就返回一個ACK包響應，所有節(jié)點都返回以后網(wǎng)絡組建完成。當主機執(zhí)行查詢相應的傳感器數(shù)據(jù)時，基站根據(jù)地址分配找到相應傳感器的位置執(zhí)行相關(guān)的數(shù)據(jù)采集；而當節(jié)點的傳感器定時監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)異常情況，則需上傳數(shù)據(jù)基站，基站收到后發(fā)一個收到響應包，如果節(jié)點在沒有收到確認信號時將重新發(fā)送。

3 實驗驗證結(jié)論

為了驗證系統(tǒng)的可行性，我們采用Agilent33220A函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生500Hz正弦波信號通過節(jié)點ADC進行采集和發(fā)送，采用單點采集的模式每隔0.2ms采集一個點數(shù)據(jù)，因此對于500Hz信號每個周期可以采集10點數(shù)據(jù)，通過星型網(wǎng)絡節(jié)點講述數(shù)據(jù)發(fā)送到基站后由串口顯示，通過對其中一個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)進行了波形的還原，可以看到其峰峰值之間間隔完全符合我們預期的目標，從而說明數(shù)據(jù)可靠的收集以及監(jiān)測網(wǎng)絡是可行的。另外我們節(jié)點的溫濕度傳感器可以對周圍環(huán)境情況實時監(jiān)測報告。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線監(jiān)測系統(tǒng)，以Jennic公司推出的JN5139-Z01-M0為核心設計了傳感器節(jié)點，分析了節(jié)點的結(jié)構(gòu)并對其程序的流程進行介紹，通過實驗實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采集和無線發(fā)送。ZigBee技術(shù)作為一種新興的低功耗、低成本、短距離無線通信技術(shù)，在無線傳感器網(wǎng)絡中必然會有廣泛的應用前景。隨著技術(shù)的不斷成熟和系統(tǒng)的逐步完善，該方案在工業(yè)領(lǐng)域也會有廣闊的應用前景。

[1] 郭杰, 雷剛, 施蕓, 等. 基于ZigBee的汽輪機汽缸負荷分配監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 制造業(yè)自動化, 2011, 33(20).

[2] 楊福寶. 基于Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究設計[J].制造業(yè)自動化, 2011, 33(2).

[3] 高相銘, 楊世鳳, 胡瑜. ZigBee技術(shù)在城市管網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J]. 電氣傳動, 2012, 42(1).

[4] 樊志平, 洪添勝, 劉志壯, 等. 柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2010, 26(8).