基于ZigBee的无线传感器网络远程监控系统的设计与实现



基于ZigBee的无线传感器网络远程监控系统的设计与实现

主要研究应用电子技术、嵌入式应用。

侯丽玲

(漳州职业技术学院电子工程系，福建 漳州 363000)

摘要：随着信息技术的不断发展，网络、无线通信两大技术开始有机结合，基于网络、无线通信两大技术，可以对其他领域进行检测系统的控制及管理。深入探索了ZigBee无线通讯技术，设计出ZigBee无线传感器网络远程监控系统，该网络远程监控系统具有开放性、通用性等优势；并对该系统的总体结构以及网络架构进行仔细阐述，设计内容着重突出3个方面：1)各个节点的硬件结构；2)实现软件的功能；3)监控中心。设计的系统对于无线传感器网络的广泛应用具有重要的借鉴作用。

关键词：无线传感器网络；远程监控；ZigBee技术；监控中心

0引言

随着信息技术的飞速发展，网络技术、无线通信两大技术开始有机结合，无线传感器网络作为最前沿、最热点的研究领域，其受到的关注程度非常高，具有复杂多样性、知识高度集成等特征，发展势头迅猛。在无线传感器网络当中，ZigBee 网关的作用至关重要，起到了枢纽的作用，其发挥的作用可以用“瓶颈”一词来形容。基于网关，可以对全国范围内，或者是世界范围内的单一以及多个监测区域的监测数据进行共享，缩短了全世界不同区域的距离，提高了网关传输的效率，具有实时性。

目前，无线传感器网络公司所制定的方案最明显的缺点包括如下几方面：1)很难在新场合进行全面应用；2)进行二次开发的难度较大；3)封装性能很强；4)灵活性较差，无法满足要求；5)性价比不划算，没有竞争力。文章的研究内容：基于ZigBee，设计出远程实时监控系统，该系统有机结合两大技术，即无线通信技术以及Web服务器技术，具有通用性、开放性等优势，可以实时采集、监测以及控制所监测区域的环境等相关参数。本文详细阐述了4方面的内容：1)网络体系结构；2)无线传感器网络的软件设计与硬件设计；3)网关的软件设计；4)监控中心的设计和实现。

1远程监控系统总体设计

图1表示了远程监控系统的总体设计方案。按照相关要求与目标，对四大技术进行有机结合，即：1)数据库技术；2)嵌入式技术；3)ZigBee无线传感器网络技术；4)Web开发技术。该方案可以实现监测区域环境参数智能管理、自动感知两大功能。结合监控系统的构成图能够看出，系统的关键构成为：1)网关。可以划分为以太网接口、Sink节点两部分，两部分对以太网与传感器网络进行连接；2)传感器网络。路由器、传感器节点是该部分的主要构成要素；3)服务器。服务器包括数据库以及Web服务器两个组成部分；4)客户端。客户端就是浏览器用户。图2表示了该远程监控系统的物理网络拓扑结构。

图1　远程监控系统的结构示意图

2ZigBee节点的设计

2.1ZigBee 节点的硬件设计

无线传感器节点属于嵌入式系统，该系统具有微型化特征，无线传感器网络的基础支持平台便由无线传感器节点所构成。因为传感器节点的位置具有不固定的特征，因此，若要在体积小的条件时连续运行，即必须要降低功耗，并提高稳定性。系统硬件平台上，采用如下措施降低功耗：1)对硬件的结构进行精简；2)所采用的元器件必须具有功耗低以及体积小的特征。

在监测区域内，安置传感器的采集节点，通过采集节点，对环境的温度、湿度等参数进行采集与传输，这一结构即为无线传感器节点硬件的整体结构。根据相应要求，应用由Chipcon制造的高度集成新型片上系统的射频芯片作为传感器节点。传感器节点包括3个组成部分：1)电源管理模块；2)传感器模块；3)微处理器。电源模块的电压为 3.3 V ，通过稳压器实现，稳定不变；传感器模块基于处理器的 GPIO 口，实现传输参数数据的功能；具体结构示意图详见图3。

图3　ZigBee节点结构示意图

微处理器模块包括5方面的组成部分：1) CC2530 片上系统；2)其外围晶振电路；3)电源电路；4)巴伦匹配网络；5)天线。CC2530 射频电路图如图4 所示。

图4CC2530 射频电路图电源管理模块的具体设计步骤：采用普通的 AA 电池对传感器节点进行供电，电池节数采用 2 节，电源模块的具体电路图如图5所示。依据 SW1 拨动开关的接通或者是断开，对电池输出进行相应的控制，通过升压转换器AS1337，对电池电压进行升压处理，使电压稳定值为3.3V，固定不变。电源的工作指示灯为D1，滤波电容分别是C2与C3，输出电压值依靠R2与R3进行适当调节，输出端电压采用Vo表示，Vo计算过程如下：

Vo=1.23×(1+R2/R3)，

式中：R2取值560 K；R3取值330 K。

图5传感器节点电源模块电路原理图外围接口电路设计共划分为以下4点：1)射频芯片复位电路；2)JTAG接口；3)传感器扩展电路；4)LED指示灯电路。其中传感器拓展电路的详细状况详见图6。

图6　传感器节点外围接口电路原理

2.2ZigBee 节点的软件设计与实现

在完成Sink节点的创建工作后，传感器节点将可以作为终端节点的设备类型加入至网络，这就是所谓的传感器网络。ZigBee 传感器节点上电后，要做相应的工作，具体包括：1)对时钟频率进行设定；2)对IO 口进行设置； 3)对定时器进行设置等等。接下来对已有的ZigBee 网络进行全方位扫描，并连接至信号最好的网络。ZigBee 设备对象(ZDO)可以将成功加入网络的消息实时发送至不同的任务，这些任务均属于已注册状态，且存在于应用框架内，“ZDO_STATE_CHANGE”是消息的具体形式。消息状态可以对目前网络状态进行指示。完成消息发送后，主程序便处于事件监听的状态，收到传感器数据或者是相应命令时便执行相应动作，传送传感器数据或者是发送命令的对象为 I/O 口或射频天线。图7表示了ZigBee 节点的软件流程图。

图7　ZigBee节点的软件流程图

3网关的软件设计

网关的功能有两点：1)两个网络间的数据交换；2)控制转发，初始进程、ZigBee 网络控制进程及以太网控制进程这三大进程共同形成了网关。以太网控制进程的任务是对以太网端的交互以及网络接口的状态进行相应的维护；ZigBee 网络控制进程的任务是对ZigBee网络端的交互以及网络接口的状态进行相应的维护。但是，以太网控制进程需将ZigBee 网络控制进程中的传感器数据转发至监控中心，ZigBee 网络控制进程需将以太网控制进程接收的命令依据串口发送至Sink 节点，因此，以太网控制进程和ZigBee 网络控制进程需确定合适的通信机制，该通信机制可确定为FIFO(先入先出)循环队列，其中ZigBee 网络及以太网这两大控制进程的设备信息表需进行共享，依靠共享内存实现。在以太网控制进程和ZigBee 网络控制进程运行前，初始进程应建立好设备信息表以及通信 FIFO。图8表示了网关进程图。

图8　网关进程图

4监控中心的设计

监控中心属于分布式系统，其模式为B/S 模式，划分为Web服务器和数据库等多个结构，网关、数据库服务器在以太网的作用下，能够互相连接起来。设计中数据库服务器的关键功能如下：首先为设备及入库传感器的数据信息，传感器数据、设备信息会等待从Web服务器发出的相关请求；其次为借助服务器向网关发送不同用户的指令。Http 的服务端即为Web 服务器，Web 服务器的主要作用是对客户端所有页面以及脚本的请求进行积极响应。图9表示了监控中心数据流图。

图9　监控中心数据流图

基于ZigBee的无线传感器网络远程监控系统具有实时数据显示页面、控制页面、历史曲线页面和历史数据查询页面，其中系统的控制界面如图10所示。

图10　系统控制界面

5结语

本文深入探索了ZigBee无线通讯技术，设计出ZigBee无线传感器网络远程监控系统，通用性和开放性是该监控系统最显著的特点，也是系统得以广泛应用的关键。在系统的支持作用下，能够对各项参数进行监控和采集，这些参数均涵盖于检测范围中。并对监测区域的监测数据进行共享，提高了网关传输的效率，在实际应用过程中具有指导意义。

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The design and implementation on remote monitoring

system based on ZigBee wireless sensor network

HOU Li-ling

(DepartmentofElectronicEngineering,ZhangzhouInstituteofTechnology,

ZhangzhouFoujian363000,China)

Abstract：With the continuous development of network technology, the two kinds of technology of net and wireless communication begin to mutual confluence. Based on the internet and wireless communication technology, the control and management have been realized in detection system in a broad range of areas. This article make an in-depth study on Zigbee wireless communication technology, designs a Zigbee wireless sensor network remote monitoring system with the advantages of openness and universe, etc. The article introduces in detail on the overall structure of Zigbee wireless sensor network (WSN) and the network architecture. The designing materials are mainly about 3 aspects: 1) the hardware structure for each node; 2) the realization of software functions; 3) the monitoring center. The designed system has an important reference value for the wireless sensor network applications in different areas.

Key words：wireless sensor network; remote monitoring; ZigBee technology; the monitoring center

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0032-04

中图分类号：TP277

作者简介：侯丽玲(1982-)，女(汉)，宁德霞浦，讲师

收稿日期：2015-10-29

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.008