◆羅莉瓊

基于zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

◆羅莉瓊

(株洲廣播電視大學(xué) 湖南 421000)

近些年，伴隨著多種傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)逐漸成為各個(gè)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，基于zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)方面的方案也成為了研究重點(diǎn)。對(duì)此，本文根據(jù)zigbee技術(shù)的特點(diǎn)，詳細(xì)分析zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，希望可以為今后相關(guān)工作者提供理論性幫助。

zigbee技術(shù)；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引言

近些年，伴隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究不斷深度以及技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中應(yīng)用了無(wú)線通信、嵌入式計(jì)算以及傳染期等技術(shù)，目前已經(jīng)基本可以實(shí)現(xiàn)人和物、物與物的信息互通。借助無(wú)線傳染期網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的應(yīng)用對(duì)象突出較強(qiáng)的適應(yīng)性與靈活性，這也促使無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用廣度得到了提升。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人、物的實(shí)時(shí)性檢測(cè)，同時(shí)可以將所監(jiān)測(cè)道的信息以某種可用性格式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性匯報(bào)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)管理的目標(biāo)。

1 基于zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

zigbee技術(shù)是一種全新的短距離無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，其是由多個(gè)公司共同研發(fā)的一項(xiàng)技術(shù)，具備低成本、小體積、低能耗以及低傳輸速率的特點(diǎn)[1]。zigbee技術(shù)是IEE802.15.4協(xié)議的代名詞，其屬于雙向性的通信技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且穩(wěn)定性較高，反應(yīng)時(shí)間短，是一種安全可靠的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，這一些特點(diǎn)也間接提升了該技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。

2 基于zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

在硬件平臺(tái)方面，為了更好地突出和展現(xiàn)整體性框架的設(shè)計(jì)，整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是借助監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)與zigbee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，其中zigbee網(wǎng)絡(luò)屬于一種多層次性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，末梢方面是以無(wú)線傳感器為主要設(shè)備，同時(shí)中間部分是以路由器設(shè)備、協(xié)調(diào)器設(shè)備以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)為主[2]。Zigbee無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵與基礎(chǔ)，借助系統(tǒng)中心可以從無(wú)線終端設(shè)備獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)，借助協(xié)調(diào)器將信息傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)當(dāng)中，主機(jī)根據(jù)自身所收集到的指令信息進(jìn)行分別記錄[3]。終端設(shè)備借助傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息與參數(shù)的檢測(cè)與記錄，之后以數(shù)模轉(zhuǎn)換的方式，通過(guò)處理器處理之后借助射頻模塊將信息發(fā)送到路由器設(shè)備當(dāng)中，從而完成信息的傳遞。

2.2網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

本研究在zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、物理層的協(xié)議規(guī)范以及MAC層、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)上，提出了關(guān)于主流集成芯片模塊的zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)框架，其主要是以數(shù)字處理模塊、傳感器采集模塊、zigbee無(wú)線收發(fā)模塊以及電源模塊為主[3]。

數(shù)字模塊主要是以高性能的8位AVR微處理器ATmega128L作為核心，整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的處理以及計(jì)算核心承擔(dān)整個(gè)設(shè)備的控制、任務(wù)的調(diào)度、能量的計(jì)算以及功能的協(xié)調(diào)、通訊協(xié)議控制等功能。無(wú)線收發(fā)模塊則是應(yīng)用TI公司所提供的CC2420作為模塊的關(guān)鍵部件，該部件的選擇性與敏感性指標(biāo)都可以滿足zigbee技術(shù)的協(xié)議通訊需求，可以保障短距離的無(wú)線信息傳輸穩(wěn)定性與可靠性，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)信息構(gòu)建[4]。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)時(shí)的數(shù)字處理模塊與無(wú)線收發(fā)模塊的外觀以圓餅型為主，其外形的尺寸半徑約為1.55cm，均應(yīng)用4層PCB抗干擾的設(shè)計(jì)方案，可以有效提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的電源模塊與傳感信息調(diào)節(jié)模塊的同時(shí)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用當(dāng)中需要應(yīng)用到應(yīng)變傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等，同時(shí)借助相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路將傳感信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暂斎氲郊晌⑻幚砥鳟?dāng)中的AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)信息通道的建設(shè)。

2.3節(jié)點(diǎn)性能的測(cè)試

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)完成之后，為了更好地保障系統(tǒng)本身的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性，必須對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)中每一項(xiàng)系統(tǒng)參數(shù)以及性能等實(shí)行測(cè)試與評(píng)估[6]。在設(shè)計(jì)zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部分關(guān)鍵性參數(shù)時(shí)，需要采取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式進(jìn)行，注重對(duì)抗干擾性能的監(jiān)測(cè)。Zigbee節(jié)點(diǎn)的功能損耗應(yīng)用電容充放電的原理方式進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)殡娙葜当旧硎枪潭ǖ?，電容飽和度所需要?chǔ)存的能量是相對(duì)的，借助節(jié)點(diǎn)消耗電容所需要的能量時(shí)間，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗的計(jì)算。在檢測(cè)之后發(fā)現(xiàn)Zigbee節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的功耗狀況為：在全速發(fā)送狀態(tài)之下，節(jié)點(diǎn)的功耗應(yīng)當(dāng)?shù)陀?9mA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應(yīng)當(dāng)是20h；在全速接受狀態(tài)之下，節(jié)點(diǎn)的功耗應(yīng)當(dāng)是低于36mA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應(yīng)當(dāng)是17h；在低功耗狀態(tài)之下，節(jié)點(diǎn)的功耗應(yīng)當(dāng)是低于17μA，而600mAh的紐扣鋰電池使用壽命應(yīng)當(dāng)是4年。

數(shù)模轉(zhuǎn)換的采樣測(cè)試實(shí)驗(yàn)應(yīng)用信號(hào)發(fā)生器所形成的峰值500mV的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)輸入到AD轉(zhuǎn)換器當(dāng)中，并借助兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線通信將信號(hào)最終體現(xiàn)在PC機(jī)的監(jiān)控軟件示波器當(dāng)中，整個(gè)過(guò)程的傳輸距離穩(wěn)定在10m。在給出信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率之后（分別為500Hz、1kHz、2kHz、3kHz），在PC顯示器中獲得示波器上所收集的波形。Zigbee節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離測(cè)試實(shí)驗(yàn)仍然需要采取500Hz的信號(hào)產(chǎn)生頻率，同時(shí)峰值控制為500mV，直流電平作為250mV的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)之后Zigbee節(jié)點(diǎn)的最大傳輸距離為：室內(nèi)無(wú)障礙環(huán)境下最大傳輸距離為40至50m；室內(nèi)隔墻環(huán)境之下（隔墻厚度為25cm）最大傳輸距離為10至20m；室外空曠環(huán)境下最大傳輸距離為50至75m。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)是以無(wú)線模式實(shí)現(xiàn)通信，在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，無(wú)線環(huán)境當(dāng)中存在大量的環(huán)境障礙、反射以及干擾源等，所以節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力直接決定著Zigbee節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用效果。在研究當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，可能對(duì)于節(jié)點(diǎn)會(huì)形成的干擾因素主要有藍(lán)牙設(shè)備、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、墻壁、人體阻擋、CDMA收集以及GSM。在節(jié)點(diǎn)之間的傳輸距離范圍超過(guò)了信號(hào)傳輸極限距離，人體阻擋或移動(dòng)時(shí)節(jié)電信號(hào)會(huì)發(fā)生波形丟失。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在較為寬廣的通信范圍之內(nèi)，PC設(shè)備開關(guān)機(jī)、多人阻擋以及墻體或模板阻隔對(duì)于Zigbee節(jié)點(diǎn)通信無(wú)明顯影響，但是移動(dòng)終端、藍(lán)牙設(shè)備以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等會(huì)形成一定影響，但不影響正常使用。只有在節(jié)點(diǎn)在于極限位置時(shí)節(jié)點(diǎn)通信效果才會(huì)發(fā)生改變。

3 總結(jié)

綜上所述，在建設(shè)基于zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過(guò)程中，需要在軟件測(cè)試、硬件芯片兩個(gè)方面確定協(xié)調(diào)器、路由器以及終端設(shè)備的設(shè)計(jì)效益。同時(shí)，對(duì)zigbee技術(shù)中的信息通訊協(xié)議深入理解，構(gòu)建符合自身需求的組網(wǎng)模式。整體而言zigbee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，可以按照實(shí)際需求，借助無(wú)線技術(shù)組網(wǎng)的方式，將其應(yīng)用到許多的領(lǐng)域當(dāng)中，社會(huì)價(jià)值突出。

[1]周海鴻，周嘉奉.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015.

[2]何蘊(yùn)良，耿淑琴，汪金輝.基于ZigBee無(wú)線傳感的空氣溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015.

[3]楊旭輝，周慶國(guó)，韓根亮等.基于ZigBee的節(jié)能型水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015.

[4]李艷，葛年明，陳杰.基于ZigBee的多傳感器物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2015.

[5]楊超，魏東，莊俊華.基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的地下車庫(kù)照明節(jié)能控制系統(tǒng)研發(fā)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015.