Zigbee无线传感器网络在环境监测中的应用

Zigbee无线传感器网络在环境监测中的应用I.Zigbee技术Zigbee是一种基于IEEE802.15.4的无线标准上被开发用来满足大多数无线传感和控制应用的独特需求。Zigbee技术是低成本，低功耗，低数据速率，高可靠性，高度安全的无线网络协议实现自动化和远程控制应用的目标。它描述了两个关键的性能特点—无线射频范围和无线频谱的数据传输速率。相较于其他如蓝牙，Wi-Fi技术，超宽带等无线网络协议，Zigbee虽然传输速率慢但传输容量大的特点向我们展示了他出色的传输能力。A、技术框架Zigbee的框架是由一组层组成的。上述层中每一层都要执行一组特定的服务任务。图1所示。在IEEE802.15.4标准定义了两个较低层：物理层（PHY）和媒体接入控制（MAC）层。Zigbee联盟建立在网络层和安全层及应用层框架提供的基础上。应用程序和配置文件应用框架网络和安全层MAC层PHY层IEEE802.15.4标准Zigbee规范应用Zigbee协议栈硬件图1技术框架在IEEE802.15.4有两个PHY层，它们在两个不同的频率范围操作：868/915兆赫和2.4GHz。此外，MAC子层控制访问无线电频道使用的CSMA-CA的机制。它的功能还可以包括信标帧传输，同步，并提供一个可靠的传输机制。B、Zigbee技术的拓扑Zigbee网络层支持星形，树形和网状形拓扑结构，如图2所示。在星型拓扑结构中，网络是由一个叫做Zigbee协调器的单一设备控制的。Zigbee协调器负责发起和维护网络上的设备。所有其他装置，称为终端设备，直接与Zigbee协调器相连通。在网状和树状拓扑结构中，Zigbee协调器的作用是启动网络，并选择一些重要的网络参数，但网络可以通过Zigbee路由器扩展。在树状网络中，路由器将通过使用分层路由策略移动数据和控制消息。网状网络允许完全对等的对等通信。星形网络（最简单的）网状网络（可靠性最好）树状网络（内存最少）终端设备（精简功能设备）路由器（全功能设备）协调器图2技术的拓扑图3是一个Zigbee网络模型，它表明Zigbee支持协调器中心的单跳星形拓扑结构和终端设备，以及网状拓扑构造。在Zigbee网络中，智能节点由全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）组成。只有FFN定义了完整的Zigbee功能，并且可成为网络协调器。协调器管理网络，也就是说，协调器可以启动网络，并允许其他设备加入或离开它。此外，它可以提供绑定和地址表服务，并保存，直到他们能传递信息。图3Zigbee网络模型II.温室环境监测的系统设计传统农业只使用孤立和没有沟通能力的机器和设备。农民们必须自己亲自监控作物的生长。即使有些人用电气设备，但他们中大多只限于控制计算机和终端设备的简单通信，此终端设备像传感器而不是像线相连接的传感器，严格上说不能被定义为无线传感器网络。因此，通过使用传感器网络和Zigbee，农业可能变得更加自动化，更加的网络化和智能化。在这个项目中，我们要在温室的地下室部署五种传感器。通过这些部署的传感器，如温室的温度，土壤温度，露点，湿度和光照强度的参数可以实时检测。它的关键是从各种不同的传感器来收集不同的参数。而在温室，监测蔬菜的长势是首要问题。因此，延长电池的寿命，减小数据速率和降低复杂度是非常重要的。从上述关于Zigbee的介绍，我们知道Zigbee满足了可靠性，安全性，低成本，低功耗的要求。A、系统概述温室环境监测系统是由一个接收器节点（协调器），许多传感器节点，工作站和数据库组成的。莫特节点和传感器节点共同组成了每个收集节点。当传感器参数进行实时采集，如温室温度，土壤温度，露点，湿度和光照强度，这些数据将提供给的A/D转换器，然后透过量化和编码成为数字信号，它能通过无线传感器通信节点传送。每个无线传感器通信节点有传送和接收的能力。在这种传感器网络中，传感器节点部署在温室，它可以采集实时数据和通过多跳方式传送数据到接收器节点（协调器）。接收器节点完成了数据分析和贮存的任务。同时，接收器节点与GPRS/CDMA连接可以提供远程控制和数据下载服务。在监控室通过运行温室管理软件，接收器节点可以定期收到来自无线传感器节点和在监视器上显示这些数据。B、节点的硬件设计传感器节点是无线传感器网络的基本单位。硬件平台是由密切相关的具体应用要求的传感器节点组成的。因此，最重要的工作是节点设计，可以完美执行无线传感器网络的传送和监测功能，，并体现了Zigbee的技术特点。图4显示了无线传感器网络节点的普遍结构。电源模块为传感器节点提供了必要的能量。数据采集模块被用来接收和转换传感器的信号。数据处理和控制模块的功能是节点设备控制，任务调度，能量计算等。通讯模块被用来在节点与频率选择之间传送数据等。数据采集模块传感器模拟/数字转换器数据处理和控制模块中央处理器内存通信模块zigbee转换单元电源模块图4无线传感器网络节点的通用结构在数据传输单元，Zigbee模块是嵌入式的用来相匹Zigbee协议的MAC层和NET层。我们选择CC2430作为zigbee协议的芯片，它把CPU，射频收发器，网络协议和RAM集合在一起。CC2430运用一个8比特的微控制器（8051），并具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。它还包括A/D转换，某些计时器，AES128协处理器，看门狗定时器，32K的晶体休眠模式定时器，上电复位，掉电检测和21个I/O操作系统。基于主芯片、为Zigbee协议提供许多模块。在那些模块的基础上Zigbee传输单元可以很容易地被设计出来。以一个集成温度、湿度和光照的传感器终端设备为例，设计如图5所示。图5传感器节点的硬件设计该SHT11是一种相对于湿度和温度的多传感器模块包括校准的数字输出的单芯片。它可以测试土壤温度和湿度。DS18B20的数字温度传感器，它有3个引脚，并且数据引脚可以直接连接MSP430。它可以检测温室的温度。TCS320是一种数字光传感器。DS18B20和TCS320SHT11,都是数字传感器具有体积小、功耗低的特点。其他传感器节点可以通过改变传感器获得。传感器节点由供电板载电池供电，协调器还允许通过跳线由外部电源跳线确供电。C、节点的软件设计应用系统由一个协调器和几个终端设备组成。每个代码的一般结构是相同的，一个主循环后初始化。协调器软件流程，经协调器开始，应用程序的第一步是硬件，液晶，栈和应用程序变量的初始化并且开放中断。然后，一个网络将被格式化。如果这个网络已被格式化成功，一些网络信息，如物理地址，网络ID，通道号，将会显示在液晶显示屏上。然后，程序将进入应用层和监测Zigbee信号。如果有终端设备或路由器想要加入这一网络，液晶显示屏将显示此信息，并显示了应用节点的物理地址，协调员将分配一个网络地址到该节点。如果节点已加入了这个网络，数据由此节点传送，将由协调器接收，并且显示在液晶显示器上。一个传感器节点软件流程，当每个传感器节点被打开或者在遇到任何航标后一个正在被寻找的协调器被检测到时，它会扫描所有频道。然后执行同步和连接。一旦完成连接，传感器节点便会进入阅读传感器和输出包含节点数据框架的定期循环、如果发送成功，终端设备将进入空闲状态，相反，它会再次收集数据并且发送到协调器，直到发送成功。D、温室监控软件的设计我们用VB语言为测试来构建一个界面，这温室传感器网络的软件，可以安装任何基于Windows操作系统。它有4个对话框选择：设置控制条件，设置定时器，设定相关参数，并显示当前的状态。通过设置一些参数，它可以执行与港口沟通的功能，数据收集和数据浏览。