基于ZigBee无线环境监测与定位系统设计

唐阳阳 刘璇 谷洋洋 宗继烨 李晨旭

【摘 要】本文在现有研究基础之上，结合Arduino开发优势及ZigBee无线通信技术特点，对提升无线传感网络节点的通用性和灵活性及降低节点的成本和能耗进行了研究。

1.引言

随着现在高科技的进步，人们的生活水平有了很大的提高，对环境的要求也越来越高，环境问题开始得到社会的重视。目前，环境监测发展的一个重要方向是开发适合中国国情、价格低廉的远程监测系统，利用无线传感网络之间可以相互感知、采集、存储和处理监测信息数据，信息经过节点的计算和处理后通过无线通信的数据流传递方式传送给用户系统构成 WSN 体系结构，如下图所示。

基于 ZigBee 无线传感网络节点定位技术，在军事探測、环境监测、智能家居和医疗护理等领域中有着非常大的应用前景，在监测环境的同时对无线定位做了进一步的研究，结合定位算法提高了环境监测的精度，由于其具有低功耗、低速率、低成本、可靠性强、时延短以及网络容量大等优势，被广泛应用于机器人、煤矿、地下停车场以及现代楼宇等生活服务中。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术，利用ZigBee对定位系统近一步设计。

2. 基于ZigBee无线环境监测与定位系统设计系统设计

本文结合Arduino开发优势及ZigBee无线通信技术特点，对提升无线传感网络节点的通用性和灵活性及降低节点的成本和能耗进行了研究。本文所进行的研究工作主要包含以下几点：

一是研究ZigBee通信协议及其组网技术，并在此基础之上设计课题所需的通信协议。

二是研究设计及实现基于Arduino技术的ZigBee无线传感网络节点的硬件系统，结合ZigBee无线传感网络节点需求选择合适的Arduino开发板，并以该开发板为设计原型进行功能模块的电路设计。对于无法参考Arduino开发板进行设计的功能模块，再以XBee ZB模块及外围电路设计、DS2438芯片及外围电路设计作为补充完善节点硬件系统设计。此外，在节点电路原理图设计完成后，对节点PCB板进行了合理的设计和制作。

三是在无线传感网络节点通信协议及硬件设计的基础之上研究设计及实现该无线传感网络节点的软件系统，通过设计合理的软件工作流程、编写高效的信息采集处理及无线通信程序，实现节点信息采集及信息传输的智能化。

3.结论

本文完成了对基于Arduino的ZigBee无线传感网络节点的设计和实现，进而从通信功能角度及传感数据采集角度以温度数据监测为例对节点的实际功能进行了测试，并对多节点组网及组网后形成的小型无线传感网络系统的功能进行了测试，此外还对节点的能耗进行了测试及分析。以上测试结果验证了本课题设计方案的可行性，并以新兴技术Arduino与无线传感网络节点开发的结合为无线传感网络节点的设计及应用提供了可参考的研究方法。

参考文献：

[1]Babun L，Aksu H，Ryan L，et al. Z-IoT：Passive Device-class Fingerprinting of ZigBee and Z-Wave IoT Devices[C]//ICC 2020-2020 IEEE International Conference on Communications（ICC）. IEEE，2020：1-7.

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经费支持：

2019年衢州学院大学生创新创业训练计划项目（Q19X061）

（作者单位：衢州学院 电气与信息工程学院）