李 仁，曲令晉

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河南南陽 473009)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN:Wireless Sensor Network)是一種新型的一體化智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，它融合了計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，現(xiàn)已成為一個熱門的研究領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心，具有自組織性等特點?，F(xiàn)代監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)對功耗、成本、安全等方面提出更加嚴格的要求，ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了契機［1］。目前國內(nèi)外關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究主要分布在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論的研究;對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工程測試床的研究;以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的研究等［2］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)與人類生活息息相關(guān)，在未來必將更加深遠的影響人類的生活。本文首先提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計，并選擇一款合適的芯片開發(fā)了一種基于ZigBee的低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并設(shè)計其監(jiān)測軟件，最終實現(xiàn)集數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測分析于一體的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體設(shè)計

選擇無線微控制器芯片JN5139，設(shè)計系統(tǒng)無線傳感器控制模塊外圍電路，構(gòu)建出Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。并設(shè)計一個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)和傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集工作的實時監(jiān)測控制。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有三種節(jié)點:網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由節(jié)點(Router)、終端節(jié)點(End－Device)［3］。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器控制整個網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和接收節(jié)點采集信息，并通過RS232接口發(fā)送給PC軟件分析處理。路由節(jié)點負責(zé)通信路由，終端節(jié)點負責(zé)具體數(shù)據(jù)的采集。其中終端節(jié)點需要將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，最終發(fā)給PC。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計框圖

網(wǎng)絡(luò)分為子節(jié)點和主節(jié)點，不過這兩者的硬件設(shè)計相差不大。圖2是網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點硬件框圖，圖3是網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點硬件框圖。子節(jié)點包含功能模塊以采集數(shù)據(jù)，而主節(jié)點主要是協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的運行，接收子節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送給監(jiān)測軟件。

圖2 子節(jié)點硬件框圖

圖3 主節(jié)點硬件框圖

1.3 JN5139外圍電路

JN5139可以用來構(gòu)建尺寸小巧、低成本的無線收發(fā)器電路，高度的集成化設(shè)計保證了其實現(xiàn)大多數(shù)傳感器和控制應(yīng)用只需擴展最少的外圍部件，無需采用高級的PCB技術(shù)。

JN5139需要由16 MHz的參考時鐘用于250 kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。JN5139已經(jīng)集成了一個16 MHz的晶振時鐘，晶體接在XTALOUT和XTALIN引腳之間即可。如果要擴展外部存儲設(shè)備或功能設(shè)備也可以通過SPI端口實現(xiàn)片選。如圖4所示。

圖4 JN5139外圍電路

1.4 功能模塊

功能模塊所設(shè)計的傳感器是溫濕度傳感器SHT11，主要用來測量目標(biāo)對象的溫度和濕度，SHT11與JN5139模塊的連接如圖5所示。SHT11的SCK引腳與Jn5139的DIO10相連，DATA引腳通過R3與JN5139的DI08相連。需要注意的是，在SHT11使能時，它們連接的DIO線的其他功能將不再有效。

2 軟件設(shè)計

圖5 SHT11接口電路

2.1 主節(jié)點流程圖

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建、管理、數(shù)據(jù)的處理等任務(wù)。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起著至關(guān)重要的作用。主節(jié)點程序流程圖如圖6所示。

圖6 主節(jié)點流程圖

2.2 子節(jié)點流程圖

當(dāng)子節(jié)點完成加入網(wǎng)絡(luò)工作后，其父節(jié)就會自動給其分配短MAC地址、網(wǎng)絡(luò)短地址以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器規(guī)定的拓撲參數(shù)。另外當(dāng)子節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要求其離開網(wǎng)絡(luò)的指令，該子節(jié)點只用向父節(jié)點發(fā)出請求就可以了。子節(jié)點程序流程圖如圖7所示。

2.3 協(xié)議棧

協(xié)議棧是用于實現(xiàn)Zigbee協(xié)議的一組軟件，能夠減少開發(fā)時間和難度［4－5］，系統(tǒng)程序設(shè)計參照IEEE802.15.4/Zigbee，采用分層設(shè)計思想，主要分四層:物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。圖8是發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖，圖9是接收數(shù)據(jù)流程圖。

圖7 子節(jié)點流程圖

圖8 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖9 接收數(shù)據(jù)流程圖

3 測試分析

3.1 監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)

監(jiān)測軟件負責(zé)接收從Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)，并按照傳感器節(jié)點的短地址和相應(yīng)的測點號，提取相關(guān)的數(shù)據(jù)并及時的處理，然后保存到數(shù)據(jù)庫中;同時狀態(tài)監(jiān)測模塊可以動態(tài)顯示數(shù)據(jù)的實時曲線，并進行報警等處理;監(jiān)測中心也可以根據(jù)具體的需求下發(fā)控制命令，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到現(xiàn)場節(jié)點進行處理、執(zhí)行。監(jiān)測軟件的主要功能是數(shù)據(jù)通訊、狀態(tài)監(jiān)測及報警處理、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)管理等。圖10是監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)圖。

3.2 系統(tǒng)監(jiān)測測試

在監(jiān)測軟件中，常常需要將傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)以實時曲線的形式向用戶展示，方便用戶觀察無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體運行情況。

圖10 監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)是通過RS232串口接收無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)。在所有工作準(zhǔn)備就緒之后，啟動監(jiān)測程序，完成用戶權(quán)限認證，程序開始接收從串口接收來的數(shù)據(jù)并由數(shù)據(jù)處理模塊完成處理，然后程序就將數(shù)據(jù)信息以曲線的形式動態(tài)顯示在程序界面上，并顯示檢測點的編號和相應(yīng)數(shù)據(jù)，實時自動更新數(shù)據(jù)和畫面。圖11是傳感器節(jié)點實物圖。

圖11 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實物

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是通過輪詢的方式接收傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，監(jiān)測軟件主界面就可以觀察到這些數(shù)據(jù)的動態(tài)曲線變化。測試觀察，在不加熱的情況下，室內(nèi)的溫度還是比較穩(wěn)定的，傳感器采集到的溫度數(shù)據(jù)是和標(biāo)準(zhǔn)溫度計相比基本是一致的。經(jīng)過多次試驗，最終的結(jié)果都是相似的，可見無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸以及監(jiān)測程序的數(shù)據(jù)處理等系統(tǒng)性能是比較穩(wěn)定可靠的。圖12是監(jiān)測軟件運行界面截圖。

圖12 監(jiān)測軟件運行界面

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了一種Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點設(shè)計和系統(tǒng)監(jiān)測軟件設(shè)計。通過實驗室應(yīng)用測試分析，本系統(tǒng)設(shè)計是穩(wěn)定可靠的。雖然本系統(tǒng)能夠滿足Zigbee無線通信硬件要求，但本系統(tǒng)硬件部分功能還是比較單一，如果應(yīng)用到要求比較復(fù)雜的地方，就必須在硬件和軟件系統(tǒng)中加入相應(yīng)的模塊，增加Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能模塊和監(jiān)測軟件的功能，以便滿足實際的需要。

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