一种无线传感器网络系统的设计

李 仁，曲令晋

(河南工业职业技术学院机电工程系，河南南阳 473009)

0 引言

无线传感器网络(WSN:Wireless Sensor Network)是一种新型的一体化智能监控网络，它融合了计算机技术、通信技术和传感器技术，现已成为一个热门的研究领域。与传统的监测网络相比，无线传感器网络以数据为中心，具有自组织性等特点。现代监控网络对功耗、成本、安全等方面提出更加严格的要求，ZigBee技术的出现为无线传感器网络的发展提供了契机［1］。目前国内外关于无线传感器网络技术的研究主要分布在对无线传感器网络基础理论的研究;对无线传感器网络体系结构的研究;无线传感器网络仿真环境和无线传感器网络工程测试床的研究;以及无线传感器网络应用方面的研究等［2］。无线传感器网络已经与人类生活息息相关，在未来必将更加深远的影响人类的生活。本文首先提出无线传感器网络的整体设计，并选择一款合适的芯片开发了一种基于ZigBee的低成本的无线传感器网络，并设计其监测软件，最终实现集数据采集与监测分析于一体的无线传感器网络系统。

1 无线传感器网络的整体设计

选择无线微控制器芯片JN5139，设计系统无线传感器控制模块外围电路，构建出Zigbee无线传感器网络，实现传感器节点的数据采集和Zigbee网络的数据传输。并设计一个网络监控软件，实现无线网络工作状态和传感器节点数据采集工作的实时监测控制。

1.1 系统结构图

图1 系统结构图

Zigbee网络具有三种节点:网络协调器(Coordinator)、路由节点(Router)、终端节点(End－Device)［3］。网络协调器控制整个网络的网络状态和接收节点采集信息，并通过RS232接口发送给PC软件分析处理。路由节点负责通信路由，终端节点负责具体数据的采集。其中终端节点需要将传感器所采集到的数据通过路由节点发送到网络协调器，最终发给PC。系统结构图如图1所示。

1.2 硬件设计框图

网络分为子节点和主节点，不过这两者的硬件设计相差不大。图2是网络子节点硬件框图，图3是网络主节点硬件框图。子节点包含功能模块以采集数据，而主节点主要是协调整个网络的运行，接收子节点发送来的数据，并将其发送给监测软件。

图2 子节点硬件框图

图3 主节点硬件框图

1.3 JN5139外围电路

JN5139可以用来构建尺寸小巧、低成本的无线收发器电路，高度的集成化设计保证了其实现大多数传感器和控制应用只需扩展最少的外围部件，无需采用高级的PCB技术。

JN5139需要由16 MHz的参考时钟用于250 kbps数据的收发。JN5139已经集成了一个16 MHz的晶振时钟，晶体接在XTALOUT和XTALIN引脚之间即可。如果要扩展外部存储设备或功能设备也可以通过SPI端口实现片选。如图4所示。

图4 JN5139外围电路

1.4 功能模块

功能模块所设计的传感器是温湿度传感器SHT11，主要用来测量目标对象的温度和湿度，SHT11与JN5139模块的连接如图5所示。SHT11的SCK引脚与Jn5139的DIO10相连，DATA引脚通过R3与JN5139的DI08相连。需要注意的是，在SHT11使能时，它们连接的DIO线的其他功能将不再有效。

2 软件设计

图5 SHT11接口电路

2.1 主节点流程图

网络协调器主要实现网络的组建、管理、数据的处理等任务。作为无线传感器网络的核心，网络协调器起着至关重要的作用。主节点程序流程图如图6所示。

图6 主节点流程图

2.2 子节点流程图

当子节点完成加入网络工作后，其父节就会自动给其分配短MAC地址、网络短地址以及网络协调器规定的拓扑参数。另外当子节点收到网络协调器要求其离开网络的指令，该子节点只用向父节点发出请求就可以了。子节点程序流程图如图7所示。

2.3 协议栈

协议栈是用于实现Zigbee协议的一组软件，能够减少开发时间和难度［4－5］，系统程序设计参照IEEE802.15.4/Zigbee，采用分层设计思想，主要分四层:物理层、MAC层、网络层和应用层。图8是发送数据流程图，图9是接收数据流程图。

图7 子节点流程图

图8 发送数据流程图

图9 接收数据流程图

3 测试分析

3.1 监测软件结构

监测软件负责接收从Zigbee无线传感器网络协调器发送过来的现场所采集的数据，并按照传感器节点的短地址和相应的测点号，提取相关的数据并及时的处理，然后保存到数据库中;同时状态监测模块可以动态显示数据的实时曲线，并进行报警等处理;监测中心也可以根据具体的需求下发控制命令，由网络协调器传送到现场节点进行处理、执行。监测软件的主要功能是数据通讯、状态监测及报警处理、数据存储、网络管理等。图10是监测软件结构图。

3.2 系统监测测试

在监测软件中，常常需要将传感器节点采集的数据以实时曲线的形式向用户展示，方便用户观察无线传感器网络整体运行情况。

图10 监测软件结构图

系统是通过RS232串口接收无线网络协调器发送来的数据。在所有工作准备就绪之后，启动监测程序，完成用户权限认证，程序开始接收从串口接收来的数据并由数据处理模块完成处理，然后程序就将数据信息以曲线的形式动态显示在程序界面上，并显示检测点的编号和相应数据，实时自动更新数据和画面。图11是传感器节点实物图。

图11 传感器网络节点实物

网络协调器是通过轮询的方式接收传感器节点发送来的数据，监测软件主界面就可以观察到这些数据的动态曲线变化。测试观察，在不加热的情况下，室内的温度还是比较稳定的，传感器采集到的温度数据是和标准温度计相比基本是一致的。经过多次试验，最终的结果都是相似的，可见无线传感器网络的数据采集、数据传输以及监测程序的数据处理等系统性能是比较稳定可靠的。图12是监测软件运行界面截图。

图12 监测软件运行界面

4 结论

本文实现了一种Zigbee技术的无线传感器网络系统，其中包括传感器节点、汇聚节点设计和系统监测软件设计。通过实验室应用测试分析，本系统设计是稳定可靠的。虽然本系统能够满足Zigbee无线通信硬件要求，但本系统硬件部分功能还是比较单一，如果应用到要求比较复杂的地方，就必须在硬件和软件系统中加入相应的模块，增加Zigbee无线网络节点功能模块和监测软件的功能，以便满足实际的需要。

［1］纪晴，段培永.基于ZigBee的无线传感器网络协议研究与实现［J］.传感器世界，2007，13(10):30－35.

［2］李珊仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［3］刘胜荣，于军琪.基于超宽带技术的无线传感器网络［J］.传感器世界，2006，12(5):32－35.

［4］王伟锋，李平，李昭.无线传感器网络路由协议［J］.电子产品世界，2006(8S):68.

［5］掌明.无线传感器网络体系结构与路由协议研究［J］.科技广场，2008(9):19－21.