李珊珊
(懷化學(xué)院,湖南 懷化 418000)
基于Arduino控制的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分析
李珊珊
(懷化學(xué)院,湖南 懷化 418000)
隨著現(xiàn)代無線傳感網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展,傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的靈活性、可變度以及通用性均表現(xiàn)出不同程度的不足。因此,在現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的研究基礎(chǔ)之上,可以結(jié)合新興技術(shù)Arduino的開發(fā)優(yōu)勢(shì)及ZigBee無線通信技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用性、靈活性以及降低節(jié)點(diǎn)的成本和能耗開展研究。文章不僅從系統(tǒng)架構(gòu)以及功能結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),還盡可能降低無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的成本和功耗,具有一定實(shí)際的研究意義和價(jià)值。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);Arduino;ZigBee
無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本單元,因此節(jié)點(diǎn)的工作性能及成本是整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的關(guān)鍵因素。本文在現(xiàn)有的研究成果之上,結(jié)合了新興技術(shù)Arduino的優(yōu)勢(shì)及ZigBee無線通信技術(shù)的特點(diǎn),對(duì)提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的靈活性、通用性以及降低成本和能耗進(jìn)行了深入研究,并理論分析設(shè)計(jì)方案的可行性,為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了一種可參考的研究方法。
Arduino是目前流行的開源硬件和開發(fā)平臺(tái),也是硬件開發(fā)的一種趨勢(shì)。Arduino的簡(jiǎn)單開發(fā)方式,使得開發(fā)者能更快捷地完成項(xiàng)目開發(fā),并且大大節(jié)約學(xué)習(xí)的成本和縮短開發(fā)的周期。正因?yàn)锳rduino的各種優(yōu)勢(shì),越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者開始選用Arduino來開發(fā)項(xiàng)目和產(chǎn)品,同時(shí)軟件開發(fā)者也選用Arduino進(jìn)入硬件、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā),甚至在各大高校很多電子類的專業(yè)也都開設(shè)了Arduino相關(guān)課程學(xué)習(xí)。Arduino主要由兩部分構(gòu)成:(1)各種類型的Arduino電路板的硬件資源,(2)Arduino編程語(yǔ)言以及IDE編程環(huán)境的軟件資源。目前,Arduino可為開發(fā)者提供多種多樣的Arduino的開發(fā)板以適用不同系統(tǒng)的開發(fā)硬件資源,要使用Arduino技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā),其首要任務(wù)就是進(jìn)行硬件的選型?;旧瞎俜教峁┑拈_發(fā)板,其電路圖以及PCB圖都是開源可查的。不同開發(fā)功能的Arduino開發(fā)板都可使用同樣的開發(fā)語(yǔ)言,并使用統(tǒng)一的電源接口、USB接口、數(shù)模接口等等這些對(duì)外接口,因此,鑒于Arduino UNO R3開發(fā)板的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn),此次設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)處理器模塊可選用Arduino UNO R3作為開發(fā)板。
2.1 硬件設(shè)計(jì)構(gòu)成
無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)針對(duì)不同的應(yīng)用背景或者相同應(yīng)用背景的不同工作角色,其功能上都會(huì)存在一定地差別,但它們的基本結(jié)構(gòu)卻都是相同的。這一基本結(jié)構(gòu)大致可分為4個(gè)部分(見圖1),它們是能量模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。其中,處理器模塊又可分為處理器、存儲(chǔ)器及高層應(yīng)用3部分;傳感器模塊又可分為傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器兩部分組成;無線通信模塊又可分為介質(zhì)訪問、物理層和射頻3部分組成[1]。若設(shè)計(jì)出合理的硬件體系結(jié)構(gòu),會(huì)使傳感器接口電路、Arduino、電源管理系統(tǒng)等有效地結(jié)合起來,能使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有更佳的性能指標(biāo)。
圖1 硬件系統(tǒng)整體
2.1.1 傳感器模塊
主要功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和處理。模塊內(nèi)所需的傳感器其類型可根據(jù)用戶需要監(jiān)測(cè)的信息類型來不同選擇。
2.1.2 處理器模塊
主要是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的控制部分。作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心功能模塊,依靠MCU和串口USB轉(zhuǎn)換完成控制各設(shè)備的數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理,實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的數(shù)據(jù)信息和無線通信模塊的信息之間的信息互換和溝通。
2.1.3 無線通信模塊
主要是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間的信息通訊。該模塊是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的主要功耗區(qū),無線通信模塊的工作模式與能耗情況,會(huì)影響到整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的工作性能和使用壽命。
2.1.4 能量模塊
主要是為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供工作所需的能量動(dòng)力。一般情況下,大多選擇方便快捷的小型蓄電池作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)和來源。
2.2 軟件設(shè)計(jì)構(gòu)成
基于Arduino控制和ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)功能的重點(diǎn)和關(guān)鍵。此次基于Arduino控制的ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)將分為4個(gè)方面進(jìn)行,軟件系統(tǒng)整體構(gòu)成設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各功能模塊的軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件開發(fā)等等。一個(gè)合理的軟件工作流程,是靠數(shù)據(jù)采集的編寫、處理和數(shù)據(jù)以及無線通信程序和電源管理程序完美搭配,它會(huì)使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸,對(duì)于節(jié)點(diǎn)電源管理的智能性將更勝一籌。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為節(jié)點(diǎn)軟件與上位機(jī)軟件。其中無線傳感節(jié)點(diǎn)軟件包括終端節(jié)點(diǎn)軟件和匯聚節(jié)點(diǎn)軟件,終端節(jié)點(diǎn)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是對(duì)不同類型的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理,以及對(duì)電池的電量信息進(jìn)行采集處理、依照最先制定好的通信協(xié)議將采集到的傳感信息和電池電量信息以無線通信形式進(jìn)行傳輸;匯聚節(jié)點(diǎn)軟件主要實(shí)現(xiàn)的功能是節(jié)點(diǎn)間組網(wǎng)、搜索設(shè)備、向接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送傳感數(shù)據(jù)和電池電量信息數(shù)據(jù)、根據(jù)之前制定好的通信協(xié)議將接收到的傳感器數(shù)據(jù)以及電池電量信息以串口的方式傳輸[2]。上位機(jī)軟件功能是負(fù)責(zé)讀取出各串口接收到的數(shù)據(jù)信息,然后按照選定的通信協(xié)議來分析所收集的各類數(shù)據(jù),然后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ),最后以用戶需要的形式直觀的展示數(shù)據(jù)信息。
3.1 節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是當(dāng)下信息領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),涉及多門學(xué)科相互交叉的研究領(lǐng)域,有著眾多關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究,下面僅列出部分關(guān)鍵技術(shù)。
(1)研究ZigBee通信協(xié)議及其組網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)出合理的通信協(xié)議,是實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)保障通信的基礎(chǔ);(2)結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的需求,選擇出合適的Arduino開發(fā)板,并以該開發(fā)板為設(shè)計(jì)原型進(jìn)行各功能模塊的電路設(shè)計(jì)將會(huì)直接決定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的性能;(3)設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng),通過設(shè)計(jì)合理的軟件工作流程、編寫高效的信息采集處理及無線通信程序來保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正常組網(wǎng)和運(yùn)行;(4)在無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)正式組網(wǎng)運(yùn)行之前,有必要對(duì)節(jié)點(diǎn)們進(jìn)行相關(guān)調(diào)試和測(cè)試,這是保證節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)后整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量以及節(jié)點(diǎn)可靠性不可或缺的步驟。
3.2 可行性分析
(1)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)雖然有著不同應(yīng)用場(chǎng)景以及不同工作角色,但節(jié)點(diǎn)的基本結(jié)構(gòu)是相同的,都大致可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊,這為合理實(shí)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)[3];(2)結(jié)合Arduino開發(fā)板的工作原理、繼電器控制電路通斷原理、模塊外圍電路、多電源自動(dòng)切換供電原理等各項(xiàng)理論,可理論設(shè)計(jì)出基于Arduino的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng),使得新設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)擁有豐富的接口、簡(jiǎn)易的編程環(huán)境和極大的開發(fā)自由度;為節(jié)點(diǎn)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了硬件支持和理論依據(jù);(3)采用電子積木形式的開發(fā)理念,極大地提高了開發(fā)的靈活性,可成功解決不同傳感器接入標(biāo)準(zhǔn)不一致的問題。
為滿足日益發(fā)展的無線傳感網(wǎng)絡(luò)需求,在已有傳感器技術(shù)和ZigBee研究基礎(chǔ)上,可以將結(jié)合新型技術(shù)Arduino的開發(fā)優(yōu)勢(shì)和ZigBee的技術(shù)優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)出一種基于Arduino技術(shù)的可應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),使它與傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)相比更具有實(shí)用性、易用性和可擴(kuò)展性,同時(shí)提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通用性和靈活性,并且進(jìn)一步降低節(jié)點(diǎn)的成本和能耗。以新興技術(shù)Arduino與無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開發(fā)的結(jié)合,為無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供了可參考的研究方法,同時(shí)也極大地?cái)U(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域。
[1]張雁琳.基于Arduino的ZigBee無線傳感節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015(24):162-165.
[2]戴由旺.基于ZigBee的無線智能傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2008.
[3]張少軍.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2010.
Analysis on ZigBee wireless sensor network node based on Arduino control
Li Shanshan
(Huaihua University, Huaihua 418000, China)
With the rapid development of modern wireless sensor networks, the flexibility, variability and commonality of nodes in traditional wireless sensor networks show varying degrees of insufficiency. Therefore, on the research basis of existing wireless sensor network node, we can combine with new Arduino technology development advantages and characteristics of ZigBee wireless communication technology to study how to improve the generality and fl exibility of wireless sensor network node and cut its costs and energy consumption. The article not only from the system architecture and functional structure of the optimization design, and as far as possible to reduce the cost and power consumption of wireless sensor network node, which has certain practical signi fi cance and value for research.
wireless sensor network node; Arduino; ZigBee
李珊珊(1981— ),女,湖南懷化。