基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计

杨普松

摘 要：文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计方法。该无线环境监测系统的硬件部分由信息采集单元、信息处理单元、通信单元和电源单元这四部分构成；软件部分以ZigBee通信协议为基础构建了一个无线通信网络。该无线环境监测系统具有自主组网、自动路由的功能优势，节点能量消耗低，并且无线传感节点可自由加入。

关键词：ZigBee协议栈；环境监测；自动组网

1 概述

目前，国内外已经普遍将无线传感网络用于环境监测方面，通过部署大量无线传感节点以无线通信的形式构成自组织无线通信网络。文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统的设计方法。

2 无线环境监测系统的硬件构成

无线环境监测系统中的无线传感节点主要由信息采集单元、信息处理单元、通信单元和电源单元这四部分构成。按照ZigBee协议栈构建无线传感网络，则网络中的节点按照功能划分可分为三种类型的节点，如图1所示，颜色最深的节点为协调节点Co-ordinator，颜色较浅的节点为路由节点Router，颜色最浅的节点为终端节点End Device。以2.4GHz载频作为无线环境监控系统的通信频段，利用终端节点进行环境信息采集，利用路由节点对接收到的环境监测信息进行转发，利用协调节点作为桥梁与计算机交互数据。

2.1 信息采集单元的设计

文章将温度作为监测对象，采用DS18B20温度传感器作为无线传感网络的温度信息采集单元，该传感器采用T0-92的封装形式，温度监测的范围为-55℃-120℃，温度精确度可达0.005℃。DS18B20可以将输出的引脚与A/D转换器相连。

2.2 信息处理单元的设计

信息处理单元为ARM系列的LPC2138嵌入式处理器，该处理器内部资源丰富，包括SPI、GPIO、RTC、TIMER、PWM、ADV等，很方便对节点的工作方式、发射功率、接收灵敏度、信息传输与处理等进行控制，同时可以对节点电源进行动态管理，实现节点能耗的控制。

2.3 通信单元的设计

通信单元采用的芯片型号为JN5139，它兼容IEEE 802.14.4无线通信协议和IEEE 802.15.4的2.4GHz收发器，其内部结构包括192KB FLASH，能够内置完整的ZigBee协议栈。通信单元与信息处理单元通过SPI接口连接，实现数据的交互。

2.4 电源单元的设计

电源单元的供电电路采用的是DC-DC MAX756模块，MAX756是性能优越的3.3V/5V的升压转换模块，其最低的输入电压可至0.7V，开关频率可达500KHz，该模块也可以对电池的容量进行实时监测。

3 ZigBee协议栈的自动组网的实现

ZigBee网络包括3种拓扑结构，如图1所示从左到右分别为星形、树形和网形。在覆盖范围内，采用AODV路由协议查询信息接收节点和信息传输路径，直至搜索到合适的节点和路径，得到应答信号，最后应答信号会反馈到信息发送节点，并保留该路由信息。系统运行一段时间后，若该条路由信息失效，则搜索新的路由信息，从而保证信息传输路径的有效性。

3.1 无线环境监测系统网络的构建

在基于ZigBee协议栈的无线环境监测网络中，只有协调节点能够构建无线通信网络，网络建立的过程是通过原语完成的，具体方法如下所述：在协调节点的应用层对NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语进行调取，下达构建网络的指令，该条指令被发送到网络层，向MAC层下达信道能量扫描的指令，调用MLME_SCAN. Request 原语，搜寻到能量值低于预设值的信道，并将扫描结果标记为可用信道，可以使用这些可用信道寻找通信节点，从而搜寻到一个最优信道，该信道中包括最少的通信节点，然后任意选取一个不发生冲突的PAN，并在MAC层标记该ID信息，通过ID信号可以发送MLME_START.request 原语，得到PAN ID和信道扫描结果，并使用confirm原语将扫描结果通知上层。获得PAN的使用情况后，NLME利用NLME_NETWORK_FORMA TION.request原语向应用层下达构建网络的指令。

3.2 无线传感节点的加入

通过上述方法构建无线环境监测系统网络后，终端节点和路由节点可以通过关联法的方式加入协调节点构建的ZigBee网络，具体过程如下所述：（1）协调节点调用NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语，网络层接收到该条指令后，会在MAC层进行扫描，当MAC层结束扫描，就会发送MLME_SCAN.confirm原语向网络层反馈该信息，网络层发送NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语向应用层反馈该信息，应用层根据该信息调用NLME_JOIN.request原语，重新扫描可加入的无线传感节点。如果无线传感节点成功加入网络，网络层接收MLME_ASSOCIATE.confirm原语，将包括该无线传感节点的16位的逻輯地址，在网络层中设置与其它节点的关系，同时在网络中加入该新的无线传感节点。（2）假设无线传感节点通过路由的形式加入到无线环境监测网络中，它的应用层将向网络层发送NLME_STAT_ROUTER.request原语，接着网络层向MAC层发送MLME_STAT.request原语，网络层接收到MLME_START.confirm原语后发送同样状态值的MLME_START.ROUTER.confirm原语。

4 结束语

为了适应当前环境检测的需求，文章提出一种基于ZigBee协议栈的无线环境监测系统设计方法，对硬件和软件的设计方法进行了详细阐述。与传统的系统相比，本系统具有自主组网、自动路由的功能优势，节点能量消耗低，并且无线传感节点可自由加入，从而实现了更节能环保、更智能的环境监测。

参考文献

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