李 丹

(陜西學前師范學院,陜西西安,710100)

基于ZigBee的校園一卡通WSN架構(gòu)探討

李 丹

(陜西學前師范學院,陜西西安,710100)

校園一卡通系統(tǒng)結(jié)合無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)為實現(xiàn)校園的移動式管理提供了一種解決方案，但在面對多區(qū)域、跨校區(qū)的實際中出現(xiàn)技術(shù)瓶頸。為實現(xiàn)一卡通無線傳感器網(wǎng)絡大范圍、長距離傳輸數(shù)據(jù)，通過ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸節(jié)點信號傳輸，以匯聚的通信方式把傳輸節(jié)點進行匯聚，并通過TD-SCDMA網(wǎng)絡實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸，設計出基于ZigBee技術(shù)和3G技術(shù)的網(wǎng)絡架構(gòu)系統(tǒng)，該架構(gòu)加大了物聯(lián)網(wǎng)信號輻射范圍和數(shù)據(jù)傳輸距離。

一卡通；3G網(wǎng)絡;ZigBee技術(shù);TD-SCDMA;無線傳感器;物聯(lián)網(wǎng)

0 引言

目前多數(shù)高校存在多個校區(qū)的情況，將一卡通作為一個傳感網(wǎng)絡節(jié)點，將其應用在校園物資的管理等領域，為教學和資產(chǎn)管理帶來不少的便利。本文研究采用3G網(wǎng)絡作為傳輸網(wǎng)絡，ZigBee技術(shù)實現(xiàn)為傳感網(wǎng)絡節(jié)點，然后再通過匯聚節(jié)點的方式設計出基于3G網(wǎng)絡和ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)，把系統(tǒng)應用到整個物聯(lián)網(wǎng)的設計中，最后給出一卡通應用到校園物資管理的一個實例，實現(xiàn)資產(chǎn)的智能化識別、監(jiān)控、追蹤、定位和管理。

1 ZigBee技術(shù)實現(xiàn)一卡通WSN節(jié)點系統(tǒng)

1.1 ZigBee體系結(jié)構(gòu)

ZigBee是一種新型的無線傳輸標準，具有抗干擾、自動動態(tài)組網(wǎng)和高保密性等特點，非常適合小范圍無線傳感器網(wǎng)絡。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)按照IEEE 802.15.4標準定義了最下面的2層，物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層框架的設計。ZigBee設備為低功耗設備，其發(fā)射功率為0-3.6dBm，具有鏈路質(zhì)量指示和能量檢測能力，根據(jù)檢測結(jié)果，設備可自動調(diào)整其發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量。

1.2 一卡通WSN節(jié)點設計

1.2.1 一卡通硬件設計

無線傳感器節(jié)點中，傳感器節(jié)點的控制和無線通信部分使用集成化解決方案JN5139芯片。芯片內(nèi)集成了用于無線傳感器網(wǎng)絡的微控制器和收發(fā)器，具有成本敏感的儲存器架構(gòu)，能夠滿足批量應用的需要。各傳感器單元之間，及其與基站之間通過無線通信的方式傳輸，傳感器節(jié)點采用2.4 GHz的頻段。無線傳感器網(wǎng)絡由許多功能相同或不同的無線傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點由功能模塊、通信模塊、控制模塊和供電模塊組成。功能模塊負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；通信模塊負責與協(xié)調(diào)器或路由器進行通信，交換控制信息和發(fā)送采集數(shù)據(jù)；控制模塊負責控制整個傳感器節(jié)點的操作，存儲和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其

他節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)；供電模塊為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量。

1.2.2 一卡通軟件設計

傳感器節(jié)點程序的設計主要實現(xiàn)接收并轉(zhuǎn)發(fā)基站的命令、與功能模塊進行交互、上報功能模塊采集到的數(shù)據(jù)等功能。每個傳感器節(jié)點都分配有地址，基站以廣播的形式發(fā)送指令后，各個節(jié)點上的主控制器都對其進行解析，若地址與本節(jié)點相同，則進一步分析出功能模塊的編號并通過總線進行轉(zhuǎn)發(fā)，功能模塊在收到命令后，由協(xié)處理器進行再次解析，將指定數(shù)據(jù)上報。

建立網(wǎng)絡的過程：首先需要對每1個設備協(xié)議棧的PHY和MAC層進行初始化，然后創(chuàng)建本網(wǎng)絡的有且只能有1個PAN Co-ordinator（個人局域網(wǎng)協(xié)調(diào)程序），并且初始化這個Coordinator。初始化完成就為它的網(wǎng)絡選定1個PAN ID作為網(wǎng)絡的標識，PAN ID可以被預定義，也可以通過偵聽其他網(wǎng)絡的ID然后選擇1個不會沖突的ID的方式來獲取。PAN Co-ordinator通過選擇1個網(wǎng)絡來建立射頻頻率通道。通過通道能量掃描檢測，API將返回每一個通道的能量水平，能量水平高就標志著這個通道的無線信號比較活躍。接下來PAN Co-ordinator就可以根據(jù)這些信息選擇1個可以利用的通道來建立自己的無線網(wǎng)絡。完成上述工作后，PAN Co-ordinator就將開放對于加入網(wǎng)絡的請求應答，當檢測到信標請求后，Co-ordinator將回應相應的信標來向設備標識自己，既而判斷是否有足夠的資源接受新的設備，并且決定是否接受和拒絕設備加入網(wǎng)絡。如果PAN Coordinator接收了設備，它將發(fā)送1個16 bit的短地址給設備，作為設備在網(wǎng)絡中的標識。

2 基于ZigBee和TD-SCDMA的校園一卡通物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

通過ZigBee技術(shù)和3G網(wǎng)絡相融合解決網(wǎng)絡大范圍、長距離使用的瓶頸，用匯聚節(jié)點的通信方式把ZigBee技術(shù)實現(xiàn)的節(jié)點進行匯聚。匯聚節(jié)點又稱網(wǎng)關節(jié)點，位于物聯(lián)網(wǎng)絡節(jié)點和管理節(jié)點之間，連接物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)部網(wǎng)絡和外部用戶，是物聯(lián)網(wǎng)絡與現(xiàn)有的網(wǎng)絡設施相融合的關鍵所在。3G網(wǎng)絡采用先進的TD-SCDMA網(wǎng)絡進行傳輸，增大其長距離、大容量數(shù)據(jù)傳遞。

2.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)部仍然采用射頻通信方式，各傳感節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點通過TD-SCDMA通信模塊與移動通信網(wǎng)的基站連接，基站負責搜集傳輸網(wǎng)絡送來的所有數(shù)據(jù)，發(fā)送到Internet，并將傳感數(shù)據(jù)的日志保存到本地數(shù)據(jù)庫中。用TD-SCDMA進行無線傳輸速度快，而無線傳感器網(wǎng)絡可以實時采集節(jié)點周圍的各類數(shù)字、圖像信息。匯聚節(jié)點采用TDSCDMA無線通信模塊實現(xiàn)?；赯igBee和TD-SCDMA的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲如圖1所示。

圖1 基于ZigBee和TD-SCDMA的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于ZigBee和TD-SCDMA的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下：ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線傳感器的節(jié)點系統(tǒng)、TD-SCDMA無線通訊模塊和無線收發(fā)模塊。圖2即為基于TD-SCDMA的無線傳感器匯聚節(jié)點裝置原理圖。

圖2 硬件原理圖

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

無線傳感器匯聚節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)如下：微控制器的內(nèi)部程序主要完成無線收發(fā)模塊的狀態(tài)檢測、串口通訊；信息編碼與解碼；

TD-SCDMA無線通訊模塊的啟動、狀態(tài)檢測與TD-SCDMA無線通訊模塊的串口通訊；傳感器采集信息校驗，多次接收取其平均值；通訊異常狀態(tài)處理等功能。圖3即為基于TD-SCDMA的無線傳感器匯聚節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)圖。

基于ZigBee和TD-SCDMA的一卡通物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在進行TDSCDMA數(shù)據(jù)傳輸之前，無線收發(fā)模塊首先要建立TCP連接過程，同時匯聚節(jié)點運行服務程序，寫入指令后，無線收發(fā)模塊將返回正確信息，這個信息并不代表連接成功，只代表指令的輸入正確。基于TD-SCDMA的無線傳感器匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸流程圖

3 實驗仿真

本文以基于ZigBee和TD-SCDMA的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)校園物資的管理。校園物資的管理主要可分為2個部分：(1) 物資狀態(tài)信息的管理，包括物資的位置、物資信息、分類信息等；(2) 物資的使用和調(diào)度管理，包括物資的調(diào)度、分配等物資業(yè)務信息的管理。校園物資的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 校園物資管理系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)，目前在技術(shù)上需要大力研究。物聯(lián)網(wǎng)是一個十分復雜而又龐大的系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)是影響未來發(fā)展應用的關鍵所在，需要分階段有計劃地開展深入的科學研究。本文對基于3G網(wǎng)絡和ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)進行了初步研究，推動3G網(wǎng)絡、ZigBee技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)融合，對高校實現(xiàn)一卡通的校園物資管理進行了一些探索和研究。

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[3] 吳唐燕,李伊涵.校園一卡通在數(shù)字化校園建設中的作用[J].中國教育信息化,2008(19):16.

Research on Campus One Card iot Architecture Based on ZigBee

Li Dan
(Shanxi Xueqian Normal University,Shanxi Xi’an,710100)

How to implement mobile campus management,campus all-in-one-card system combined with wireless sensor network system is a good solution.But one university has multiple campus colleges,and ordinary one cartoon system cannot be achieved.In order to improve efficiency and accuracy of data transmission in longdistance and wide-rang wireless sensor networks,ZigBee technology is used to transmit data within wireless sensor network node,and nodes are aggregated through converged communications,then Network transmission is Achieved by TD-SCDMA network.Finally,a new network system based on ZigBee technology and 3G technology is designed. Experiment shows it has good performance in long transmission data and range of signal radiation.

One Card solution;3G network;ZigBee technology;TD-SCDMA;wireless sensor;internet of things

TP273

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