劉 明，董朋濤，王敬華，楊三平

（華中師范大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖北武漢 430079）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）技術(shù)的飛速發(fā)展及其在各領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為人們學(xué)習(xí)WSN 技術(shù)提供新的動(dòng)力。WSN 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)占用空間小，網(wǎng)絡(luò)部署不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成太大影響；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，具有多點(diǎn)覆蓋、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)本身具有一定的存儲(chǔ)和通信能力，節(jié)點(diǎn)間可進(jìn)行協(xié)同監(jiān)測(cè)［1］。

WSN 用于城市環(huán)境監(jiān)測(cè)［2］，可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域無人連續(xù)監(jiān)測(cè)、每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)等目標(biāo)。WSN 應(yīng)用于室內(nèi)照明智能控制系統(tǒng)［3］，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)照明管理落后、浪費(fèi)能源、舒適性差及布線復(fù)雜等缺陷。WSN 應(yīng)用于智能樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)［4］，可實(shí)現(xiàn)通信可靠、節(jié)點(diǎn)功耗低及能長時(shí)間工作的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛，一套實(shí)用的WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以幫助學(xué)生快速掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

組建傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)很多，利用移動(dòng)電話網(wǎng)（GSM，GPRS）組建則成本較高且數(shù)據(jù)采集精度較差、能耗較大、更換頻繁，且不適合長期監(jiān)測(cè)［5］。利用WIFI組建則功耗大，一般需用外接電源，組網(wǎng)不方便，適用范圍?。?］。利用藍(lán)牙技術(shù)組建則顯得太復(fù)雜，而且有功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模小等缺點(diǎn)［7］。

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求通信距離短、布設(shè)方便、成本低、工作時(shí)間長、自動(dòng)組網(wǎng)和自動(dòng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)。因此ZigBee技術(shù)適用于WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用表明，本文設(shè)計(jì)的WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。

1 WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要組成見圖1。上位機(jī)控制中心收集、存儲(chǔ)和處理經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膫鞲衅鞲兄沫h(huán)境數(shù)據(jù)及其他節(jié)點(diǎn)信息，響應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求和發(fā)送控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命令；遠(yuǎn)程客戶端和PDA 終端可以通過互聯(lián)網(wǎng)訪問控制中心；ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)用于組網(wǎng)和管理網(wǎng)絡(luò)、響應(yīng)與轉(zhuǎn)發(fā)控制中心命令和收集信息；若干ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，傳輸傳感器感知的環(huán)境數(shù)據(jù)及其他節(jié)點(diǎn)信息，將采集到的信息以多跳路由的方式發(fā)送到控制中心、響應(yīng)ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的控制中心的命令和根據(jù)需要轉(zhuǎn)發(fā)信息。

圖1 WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)體系架構(gòu)

傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要通過ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)信息的傳遞。

1.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

1.2.1 傳感節(jié)點(diǎn)

傳感節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧運(yùn)行在TI芯片CC2530，這是一款真正針對(duì)IEEE802.15.4、ZigBee和智能能源應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案［8］。CC2530 還集成了完全集成的高性能射頻收發(fā)器，帶有8051MCU、8 KB RAM、256KB 閃存以及強(qiáng)勁的外設(shè)支持功能。傳感節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊包括各種感知環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器［9］。能量供應(yīng)模塊有電池供電和外接5V 電源供電2 種方式。圖2 為傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)框圖和實(shí)物圖

本系統(tǒng)使用TI的Z－Stack2007 協(xié)議棧［10－11］，TI公司推出的Z－Stack是半開源的C 語言協(xié)議棧，具有很好的可移植性和很好的程序可讀性。Z－Stack協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了組網(wǎng)、路由等功能。根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要添加應(yīng)用代碼。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序一般主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，及與匯聚節(jié)點(diǎn)交互等功能；根據(jù)安放的位置，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)還可以成為一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)消息的中繼轉(zhuǎn)發(fā)。學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以在系統(tǒng)提供的程序代碼基礎(chǔ)上，編寫自己的程序以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，比如編寫代碼以實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)周期性地向匯聚節(jié)點(diǎn)傳送感知的環(huán)境溫濕度信息。圖3為傳感節(jié)點(diǎn)周期性感知環(huán)境溫濕度，當(dāng)溫度超出閾值時(shí)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息的程序代碼的工作流程圖。

圖3 傳感節(jié)點(diǎn)工作流程圖

當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)上電后，首先經(jīng)歷一系列初始化工作，調(diào)用ZDO 層的初始化設(shè)備函數(shù)：

ZDOInitDevice（zgStartDelay）；

然后觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)：

ZDApp＿NetworkInit（extendedDelay）；

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)初始化事件：osal＿set＿event（）；

調(diào)用NWK 層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求函數(shù)：

NLME＿NetworkDiscoveryRequest（zgDefaultChannelList，zgDefaultStartingScanDuration）；

最終ZDO 層任務(wù)事件處理函數(shù)將執(zhí)行處理加入網(wǎng)絡(luò)函數(shù)：ZDApp＿ProcessNetworkJoin（）。

加入網(wǎng)絡(luò)后，傳感器周期地采樣和分析環(huán)境溫度信息，若超出閾值，調(diào)用osal＿set＿event（）函數(shù)觸發(fā)GENERICAPP＿SEND＿M(jìn)SG＿EVT 事件發(fā)生，系統(tǒng)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)并通過多跳路由向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)告。匯聚節(jié)點(diǎn)收到報(bào)告后必須返回一個(gè)ACK（響應(yīng)）包來響應(yīng)報(bào)告信息，并通過串口向控制中心報(bào)告。發(fā)送信息的傳感節(jié)點(diǎn)必須通過收到ACK 包來驗(yàn)證事件信息已經(jīng)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

1.2.2 ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)要完成網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)、數(shù)據(jù)的上傳、命令的下達(dá)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和管理等功能，所以需要長時(shí)間地不間斷運(yùn)行，同時(shí)由于外圍設(shè)備較多，匯聚節(jié)點(diǎn)的功耗較大，因而匯聚節(jié)點(diǎn)最好能夠工作在有外接電源的條件下，這樣才能保證系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)工作。圖4為匯聚節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖和實(shí)物圖。

圖4 匯聚節(jié)點(diǎn)框圖和實(shí)物圖

匯聚節(jié)點(diǎn)通過串口和控制中心進(jìn)行通信。匯聚節(jié)點(diǎn)與控制中心通信要建立通信機(jī)制，匯聚節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)控制的主要對(duì)象，匯聚節(jié)點(diǎn)的程序一方面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的配置和管理，包括定義通信信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PAN ID），配置網(wǎng)絡(luò)的Profile，響應(yīng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，為其他節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址、維護(hù)路由表等；另一方面還接收各傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行匯合整理后傳給控制中心。

學(xué)生可以用匯聚節(jié)點(diǎn)做一些有關(guān)CC2530芯片的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過串口傳送給PC 機(jī)。學(xué)生做WSN 實(shí)驗(yàn)時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)要和傳感節(jié)點(diǎn)配合使用，分別編寫匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用代碼，為了能使它們協(xié)同工作，需要在應(yīng)用層建立它們的通信機(jī)制，比如定義統(tǒng)一的命令和數(shù)據(jù)格式，以便網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包時(shí)可以正確識(shí)別。做監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)周期性感知環(huán)境溫度，當(dāng)溫度超過閾值時(shí)，傳感節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息；匯聚節(jié)點(diǎn)響應(yīng)傳感節(jié)點(diǎn)，并把報(bào)警信息傳送給控制中心。圖5為匯聚節(jié)點(diǎn)程序的工作流程圖。

當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)上電后，ZDO 層首先經(jīng)歷一系列的初始化工作，然后調(diào)用ZDO 層的初始化設(shè)備函數(shù)：

ZDOInitDevice（0）；

最終觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)：

ZDApp＿NetworkInit（extendedDelay）；

設(shè)置網(wǎng)絡(luò)初始化事件：osal＿set＿event（）；

ZDO 層的任務(wù)事件處理函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)初始化事件進(jìn)行處理，即啟動(dòng)該設(shè)備：

ZDO＿StartDevice（）；

調(diào)用NWK 層網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求函數(shù)：

NLME＿NetworkFormationRequest（）。

匯聚節(jié)點(diǎn)初始化網(wǎng)絡(luò)之后，處理其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)事件，接收控制中心經(jīng)過串口發(fā)送過來的命令，接收傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的報(bào)警信息，向傳感節(jié)點(diǎn)反饋相應(yīng)信息（ACK），向傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)控制中心的控制命令。

1.3 控制中心軟件設(shè)計(jì)

控制中心軟件主要用于顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，主要包括數(shù)據(jù)接收、解析、顯示與管理，向?qū)W生發(fā)出報(bào)警信息，向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令等幾個(gè)功能模塊。匯聚節(jié)點(diǎn)收集各個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的信息，數(shù)據(jù)融合整理后通過串口發(fā)送給控制中心PC機(jī)［12］。圖6為控制中心軟件功能模塊組成。

圖6 控制中心軟件功能模塊

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用

可以利用傳感節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖7所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度。

圖7 溫度和濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)

圖8直觀顯示4個(gè)節(jié)點(diǎn)組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采集和傳送來的溫度和濕度等實(shí)驗(yàn)信息。

圖8 傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皵?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

圖9記錄一個(gè)6 m×6 m 的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)24h溫、濕度的變化。學(xué)生可以從PC 機(jī)顯示的實(shí)驗(yàn)曲線上，認(rèn)識(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)得的室內(nèi)溫濕度變化情況。

3 結(jié)束語

圖9 24h內(nèi)溫濕度變化曲線

WSN 在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中有著廣泛的應(yīng)用前景，ZigBee技術(shù)正是因網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用的需要而產(chǎn)生。目前針對(duì)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用和研究蓬勃發(fā)展，未來有廣闊的發(fā)展前景。本文設(shè)計(jì)的WSN 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以幫助學(xué)生深入學(xué)習(xí)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，學(xué)生可以直觀地搭建網(wǎng)絡(luò)和觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)踐表明，本系統(tǒng)具有可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，為傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)提供了一種有效的解決方案。

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