基于ZigBee的校园一卡通WSN架构探讨

李 丹

(陕西学前师范学院,陕西西安,710100)

基于ZigBee的校园一卡通WSN架构探讨

李 丹

(陕西学前师范学院,陕西西安,710100)

校园一卡通系统结合无线传感网系统为实现校园的移动式管理提供了一种解决方案，但在面对多区域、跨校区的实际中出现技术瓶颈。为实现一卡通无线传感器网络大范围、长距离传输数据，通过ZigBee技术实现无线传感器网络的传输节点信号传输，以汇聚的通信方式把传输节点进行汇聚，并通过TD-SCDMA网络实现网络传输，设计出基于ZigBee技术和3G技术的网络架构系统，该架构加大了物联网信号辐射范围和数据传输距离。

一卡通；3G网络;ZigBee技术;TD-SCDMA;无线传感器;物联网

0 引言

目前多数高校存在多个校区的情况，将一卡通作为一个传感网络节点，将其应用在校园物资的管理等领域，为教学和资产管理带来不少的便利。本文研究采用3G网络作为传输网络，ZigBee技术实现为传感网络节点，然后再通过汇聚节点的方式设计出基于3G网络和ZigBee技术的系统，把系统应用到整个物联网的设计中，最后给出一卡通应用到校园物资管理的一个实例，实现资产的智能化识别、监控、追踪、定位和管理。

1 ZigBee技术实现一卡通WSN节点系统

1.1 ZigBee体系结构

ZigBee是一种新型的无线传输标准，具有抗干扰、自动动态组网和高保密性等特点，非常适合小范围无线传感器网络。ZigBee协议栈的体系结构按照IEEE 802.15.4标准定义了最下面的2层，物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的设计。ZigBee设备为低功耗设备，其发射功率为0-3.6dBm，具有链路质量指示和能量检测能力，根据检测结果，设备可自动调整其发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量。

1.2 一卡通WSN节点设计

1.2.1 一卡通硬件设计

无线传感器节点中，传感器节点的控制和无线通信部分使用集成化解决方案JN5139芯片。芯片内集成了用于无线传感器网络的微控制器和收发器，具有成本敏感的储存器架构，能够满足批量应用的需要。各传感器单元之间，及其与基站之间通过无线通信的方式传输，传感器节点采用2.4 GHz的频段。无线传感器网络由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成。传感器节点由功能模块、通信模块、控制模块和供电模块组成。功能模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；通信模块负责与协调器或路由器进行通信，交换控制信息和发送采集数据；控制模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其

他节点发来的数据；供电模块为传感器节点提供运行所需的能量。

1.2.2 一卡通软件设计

传感器节点程序的设计主要实现接收并转发基站的命令、与功能模块进行交互、上报功能模块采集到的数据等功能。每个传感器节点都分配有地址，基站以广播的形式发送指令后，各个节点上的主控制器都对其进行解析，若地址与本节点相同，则进一步分析出功能模块的编号并通过总线进行转发，功能模块在收到命令后，由协处理器进行再次解析，将指定数据上报。

建立网络的过程：首先需要对每1个设备协议栈的PHY和MAC层进行初始化，然后创建本网络的有且只能有1个PAN Co-ordinator（个人局域网协调程序），并且初始化这个Coordinator。初始化完成就为它的网络选定1个PAN ID作为网络的标识，PAN ID可以被预定义，也可以通过侦听其他网络的ID然后选择1个不会冲突的ID的方式来获取。PAN Co-ordinator通过选择1个网络来建立射频频率通道。通过通道能量扫描检测，API将返回每一个通道的能量水平，能量水平高就标志着这个通道的无线信号比较活跃。接下来PAN Co-ordinator就可以根据这些信息选择1个可以利用的通道来建立自己的无线网络。完成上述工作后，PAN Co-ordinator就将开放对于加入网络的请求应答，当检测到信标请求后，Co-ordinator将回应相应的信标来向设备标识自己，既而判断是否有足够的资源接受新的设备，并且决定是否接受和拒绝设备加入网络。如果PAN Coordinator接收了设备，它将发送1个16 bit的短地址给设备，作为设备在网络中的标识。

2 基于ZigBee和TD-SCDMA的校园一卡通物联网系统

通过ZigBee技术和3G网络相融合解决网络大范围、长距离使用的瓶颈，用汇聚节点的通信方式把ZigBee技术实现的节点进行汇聚。汇聚节点又称网关节点，位于物联网络节点和管理节点之间，连接物联网内部网络和外部用户，是物联网络与现有的网络设施相融合的关键所在。3G网络采用先进的TD-SCDMA网络进行传输，增大其长距离、大容量数据传递。

2.1 系统网络结构

无线传感器网络内部仍然采用射频通信方式，各传感节点采集来的数据统一发送到汇聚节点。汇聚节点通过TD-SCDMA通信模块与移动通信网的基站连接，基站负责搜集传输网络送来的所有数据，发送到Internet，并将传感数据的日志保存到本地数据库中。用TD-SCDMA进行无线传输速度快，而无线传感器网络可以实时采集节点周围的各类数字、图像信息。汇聚节点采用TDSCDMA无线通信模块实现。基于ZigBee和TD-SCDMA的物联网网络拓扑如图1所示。

图1 基于ZigBee和TD-SCDMA的物联网网络拓扑图

2.2 系统实现

基于ZigBee和TD-SCDMA的物联网系统硬件结构如下：ZigBee技术实现无线传感器的节点系统、TD-SCDMA无线通讯模块和无线收发模块。图2即为基于TD-SCDMA的无线传感器汇聚节点装置原理图。

图2 硬件原理图

图3 软件结构图

无线传感器汇聚节点软件结构如下：微控制器的内部程序主要完成无线收发模块的状态检测、串口通讯；信息编码与解码；

TD-SCDMA无线通讯模块的启动、状态检测与TD-SCDMA无线通讯模块的串口通讯；传感器采集信息校验，多次接收取其平均值；通讯异常状态处理等功能。图3即为基于TD-SCDMA的无线传感器汇聚节点软件结构图。

基于ZigBee和TD-SCDMA的一卡通物联网系统，在进行TDSCDMA数据传输之前，无线收发模块首先要建立TCP连接过程，同时汇聚节点运行服务程序，写入指令后，无线收发模块将返回正确信息，这个信息并不代表连接成功，只代表指令的输入正确。基于TD-SCDMA的无线传感器汇聚节点数据传输流程如图4所示。

图4 数据传输流程图

3 实验仿真

本文以基于ZigBee和TD-SCDMA的物联网系统实现校园物资的管理。校园物资的管理主要可分为2个部分：(1) 物资状态信息的管理，包括物资的位置、物资信息、分类信息等；(2) 物资的使用和调度管理，包括物资的调度、分配等物资业务信息的管理。校园物资的物联网系统的网络结构如图5所示。

图5 校园物资管理系统网络结构

4 结论

物联网作为新一代信息技术，目前在技术上需要大力研究。物联网是一个十分复杂而又庞大的系统，其体系结构是影响未来发展应用的关键所在，需要分阶段有计划地开展深入的科学研究。本文对基于3G网络和ZigBee技术的物联网进行了初步研究，推动3G网络、ZigBee技术和物联网融合，对高校实现一卡通的校园物资管理进行了一些探索和研究。

[1] 顾理军.ZigBee技术在智能家居网络中的应用研究[J].重庆电子工程职业学院学报,2011(20):160-161.

[2] 王宇飞,刘志恒.论数字化校园的建设及其应用[J].中国教育信息化,2008(18):72-74.

[3] 吴唐燕,李伊涵.校园一卡通在数字化校园建设中的作用[J].中国教育信息化,2008(19):16.

Research on Campus One Card iot Architecture Based on ZigBee

Li Dan
(Shanxi Xueqian Normal University,Shanxi Xi’an,710100)

How to implement mobile campus management,campus all-in-one-card system combined with wireless sensor network system is a good solution.But one university has multiple campus colleges,and ordinary one cartoon system cannot be achieved.In order to improve efficiency and accuracy of data transmission in longdistance and wide-rang wireless sensor networks,ZigBee technology is used to transmit data within wireless sensor network node,and nodes are aggregated through converged communications,then Network transmission is Achieved by TD-SCDMA network.Finally,a new network system based on ZigBee technology and 3G technology is designed. Experiment shows it has good performance in long transmission data and range of signal radiation.

One Card solution;3G network;ZigBee technology;TD-SCDMA;wireless sensor;internet of things

TP273

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