基于ZigBee的环境监控节点设计

赵志伟 陈可飞 刘雅莉

【摘要】近些年来，随着时代的发展和科技的进步，我国各领域更是提升了自身的信息化和科技化的发展水平，并完善了内部建设。ZigBee技术应用到我国的环境监控中更是在一定程度上提升了自身的技术水平，并能更好的对环境进行实时的监控。鉴于此，本文主要分析研究了ZigBee的技术概述和特点，并对环境监控的节点设计进行了详细的规划，旨在基于ZigBee的环境监控节点设计水平的提升。

【关键字】ZigBee 环境监控 节点设计

前言：在我国环境监测的传感器系统具有简单、性能较高且不需要长期更换电池等优点。环境监测主要是由大量互联的微型传感器的节点进行组成，新型的环境监控的传感器网络与以往的环境监控相比，具有数量更多的传感器网络节点，并且具有较高的分布密度[1]。与此同时，这种无线传感器节点的本身具有一定的计算能力和储存能力，可以根据不同的物理环境来进行不同复杂程度的监控。ZigBee的技术是当前我国信息科技进步发展的最新产物。ZigBee作为一种当前较为先进的无线连接技术，凭借着简单、易操作等特点在我国的环境监测系统的进一步发展中起到了重要的帮助。

l.Zigbee技术概述及特点研究

1.1 技术概述

随着我国科技的进步和发展，ZigBee技术逐渐被应用到我国环境监控中，完全取代了以往的监控技术，并充分的发挥出该Zig-Bee的最大作用。ZigBee是一种新型的短距离、低功率和低速率的无线传感器网络技术。ZigBee主要工作于2.4GHz的全球统一且不需要进行申请的工业科学和医疗频段，这种传输速率为20～260kb/s，其中的传输距离为15米至78米不等，ZigBee技术主要适用于近距离的无线通信，这种无线通信更适合进行现场的检测，并依据IEEE802。15.2标准，在环境监控系统中的数以千计的传感器之间进行协调从而真正的实现通信。在ZigBee的网络中主要包括协调器、路由器和终端设备，其中对于协调器的设置是在每一个网络所要具备的[2]。因此，协调器也是整个网络的中心，主要用来负责进行网络的组织和维护。ZigBee中的路由器主要是负责进行数据包中的路由选择，以此来尽可能的拓宽网络的范围，其中的终端设备则是按照功能来划分全功能的设备以及精简功能设备[3]。

1.2特点研究

ZigBee技术在引入我国环境监控节点设计中更是在一定程度上提升了自身的监控技术水平，并更为高效且精确的进行环境监控[4]。以此，ZigBee技术的强大不容小觑。ZigBee技术也具有以下几个特点，其一，ZigBee技术较为省电，两节普通的五号电池便可以保证设备工作半年至两年的时间。其二，ZigBce具有安全性较高的通信，ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，该机制为相关的通信业务预留了一定的时间，以此有效避免在进行数据传输的过程中出现不必要的竞争，其中的MAC层便采用了完全确认的数据传输机制，在进行数据运输的过程中需要等待对方进行消息的确认[5]。其三，ZigBee具有较强的自愈性，由于ZigBee的自组织功能不需要进行人工干预，其网络节点便可以对其他节点进行感知，以此来更改的确定连接关系，从而有效的实行系统化网络，在使用ZigBee技术后的环境监控节点若是增多或者是缺少相关的节点，或者是节点位置发生变化等情况出现时，ZigBee都可以对其进行自愈功能，并对网络的拓扑结构进行相应的调整，从而在保证没有人工干预的情况下促进系统的正常工作[6]。其四，ZigBee技术的成本较低，切具有较高的性价比，以及较大的网络容量，ZigBee技术更是在一定程度上提供了完整的数据和已经加密的算法，从而保证环境监控的数据安全。

2.环境监控节点设计

2.1 硬件设计

环境监控网络节点的硬件设计主要是由传感器模块、处理器模块以及无线通信模块和电源模块进行构成，其中的处理器以及无线通信模块更主要采用的是ZigBee协议上的片上系统级芯片，以此来简化以往射频电路的设计，其中的传感器的模块所采用的是集成温湿度传感器SHT71型的传感器，并保证干电池的供电[7]。在这过程中，无线通信模块所选用的芯片是TI公司进行无线单片机收购的CHIPCON所推出的一款ZigBee无线单片机的系列芯片，这种芯片完全符合IEEE803.15.2的标准的片上的SOCZigBee产品，其中的CC2433不仅包括收发器，还集成了加强版的8051MCU、ADC以及DMA等，在无线通信模块中可以采用低电压的且供电和能耗较低，在这过程中可以保证其最大传送速率为260KBS。CC2530所组成的无线通信模块使用了非平衡的天线来进行非平衡电压器的连接，以此来保证天线性能的出色，其中电路中的非平衡变压器主要是由C12和PCB的微波传输线构成，在这过程中，可以更好的满足RF输入和输出所进行匹配的要求，在该无线通信模块中可以更好的用于电源滤波来提升芯片的工作稳定性[8]。对于环境监控节点设计中的数据采集模块来讲主要是完成对环境的湿润度以及可燃气体浓度的测量，在这过程中，所选用的是瑞士公司出品的一款全校准数字式温湿度传感器DS18820所采集的温湿度数据，这种传感器可以对温湿度进行有效的测量，并凭借较强的抗干扰能力和较强的稳定性，在集成温湿度传感器后可以更为高效的进行环境监控节点的设計[9]。

2.2 软件设计

环境监控节点中的软件设计主要是包括数据才节点的定时和管理，以及无线模块的收发，当网络搭建完毕后，由协调器来发起网组命令，并由路由器来加入网络，以此来更好的绑定协调器，在进行协调器绑定之后，便可以通过终端设备的开启来加入当前最近的路由器。在进行软件设计的过程中需要考虑到低能耗的要求，并选用休眠模式，当环境监控的节点处于休眠状态变成了工作状态时，采集并将得到的节点以及温度和湿度甚至是气体浓度都上传到上层的节点，并进行了自动的休眠状态[10]。在环境监控过程中的软件设计的数据采集节点流程工序较为简单，更容易进行操作。

2.3 设计实现

对于环境监控节点设计中的整个网路系统主要是由主机和ZigBee网络锁构成，这种层次性的网络结构的最底部为传感器的终端设备，在传感器的终端设备以上分别是路由器、协调器以及监控主机，其中的监控主机主要是通过计算机来进行环境监测数据的显示，并对网络发送命令[11]。在总体方案的设计下，ZigBee网络主要是用来进行环境数据的采集。在这过程中为了有效的避免出现节点任意组网的情况发生，从而造成环境监控网络节点的功耗处于分布不均的情况，相关的技术工作人员需要将网络内部分成若干小型的星型网络，其中每一个星型网络都称为一组，星型网络的中心节点便是ZigBee路由器通过并将终端设备所上传的信息进行整合，在将数据发送至ZigBee协调器。因此，ZigBce网络以及监控主机进行连接的方式主要是将协调器和通信主机经过串口的方式进行连接，若是在这过程中不能更好的方便进行主机的监控和使用，便可以选用GPS将数据发送到有该技术装置的监控主机当中。其中的监控主机主要是需要对ZigBee技术中的传感器节点的实际工作状态进行监督，将所显示的数据原地址、传感器的采集和数据的变化趋势根据节点的调整来进行工作任务，当前我国基于ZigBee技术的环境监控系统主要是通过节点的工作压力来对节点在工作中的剩余能量信息进行判断，在这过程中需要对电压过低节点的休眠时间进行采样频率的降低。

3.基于ZigBee环境监控节点实践

3.1 实践构建

为了进一步实验ZigBee环境监控节点实践，相关的技術T作人员将CC2420节点和CC2530节点放在一起，并作为不同的功能设备，以此来组建成一个ZigBee的无线传感器网络，这种传感器网络主要是用于证明共同移植的通用协议栈的从基础上，并在CC2530节点片上解决方案共同组网的可行性以及实际的通讯质量分析。在这过程中，进行实验的相关技术人员进行了实验的平台搭建，对于硬件的选取主要为PC电脑CC2530节点，和两个CC2530的全功能节点进行组成。其中的CC2530节点作为协调器，CC2530的全功能节点作为路由器，剩下的节点当做终端设备，主协调器主要采用了外接电源进行供电，以此来保证液晶屏可以实时的接受到所显示的数据。与此同时，相关工作人员还设置了一个ZigBee节点，以此用来进行空中抓包，并将监听到的ZigBee通讯信息通过串口与PC机的连接来向PC进行发送，以此来更好的实验性能。对于软件环境主要是选取IEEE 237，15.2 packet sniffer，IEEE 237，15.2 packet sniffer作为chipcon公司用来查看节点之间射频数据传输的软件，主要分为板上程序以及上位机程序的两个部分，上位机软件可以进行频道的选取，板上程序在进行使用的过程中需要将所需要的程序下载在板上。

3.2 实践结果分析

当硬件程序和软件程序准备就位后，相关的技术工作人员通过packet sniffer软件来监听到了一些有用的数据信息，并主要分为以下几个方面，首先是当路由器加入网络，在这一部分中的通讯信息显示了路由器请求加入网络，在同意加进网络后，由协调器来进行短地址过程中的分配，其中协调器的长地址为Ox1862972037340373402730C.当路由器加入协调器并建立相关的局域网后，协调器的短地址分配为Ox0002，通过FCS标识进行校验，发现信息接收成功。其次是协调器和路由器之问的通信.在这一过程中，协调器会向路由器发送MAC层，也就是网络层的数据，这种数据的信息类型为DATA信息，也是路由器被分配的短地址。最后是终端设备和协调器的通讯，在这过程中，相关的技术工作人员打开终端设备，并让终端设备箱主协调器进行指令的发送，以此来请求加入网络。Source addrcss设备的终端长地址为Ox28739373490320000.接收方为PAN ID为OxOIFF，经过相关的实验得出终端设备和协调器的通讯之间的连接成功。

结论：近些年来，我国的工业化进程逐渐加快，全自动化的监测技术在进行发展的过程中兴起了无线技术，其中的无线技术凭借着低成本、高性能等优势逐渐取代了以往传统的监控技术，Zig-Bee的环境监控系统作为科技进步的产物，更是对工业牛产中的环境进行了实时的监控，并通过对数据的采集以及相关故障的分析来更好的达到牛产优化控制的目的，从而真正的实现安全增效。由此看来，ZigBcc技术在未来的发展过程中甚至会渗透到更多领域的发展中，并具有着较为广阔的发展前景。

参考文献：

【1】孙凡晴，宋传旺，王静，等.基于ZigBee的塔吊安全监测系统设计与实现【J】.仪器仪表用户，2018.25（1）：23-26.

【2】王成超，李锋，张腾飞.基于Cortex -M3的便携式环境监测仪设计与实现【J】.仪器仪表用户，2018，25（1）：30-33.

【3】胡昱，黄小华，陶启友，等.基于ZigBee的深水网箱养殖无线传感网络节点设计【J】.电子设计工程，2017，25（6）：100 -104.

【4】关蓓蓓，李猛，田立国.基于ZigBee的农田风速采集节点的设计【J】.科技创新与应用，2017（15）：63 -64.

【5】李猛，田立国，丁航，等.基于ZigBee的农田土壤水分采集节点的设计【J】.科技创新与应用，2017（15）：74-74.

【6】范启富，邱力军，刘欢.基于ZigBee的实验室环境监测系统设计【J】.无线互联科技，2017（11）：38 -40.

【7】赵子健.基于ZigBee的无线环境监测系统设计与研究【J】.微处理机，2017，38（4）：91-95.

【8】侯瑞，黄亦翔，张凯，等.基于ZigBee和能量感知的田域环境监测系统设计【J】.实验室研究与探索，2017，36（5）： 57-60.

【9】施建军，唐义军，王军，等.基于ZigBee的空气环境监测系统的设计与实现【J】.福建电脑，2017，33（7）：107 -108.

【IO】付莉，付秀伟.基于ZigBee和GPRS的高寒地区鳄鱼养殖环境监控系统设计【J】.吉林化工学院学报，2017，34 （7）：57-61.

【11】刘岳鹏，蔡睿，周磊.基于ZigBee的环境参数远程无线监控系统设计【J】.计算机测量与控制，2017，25（7）：87-89.