野外WSN监测系统数据透明传输的实现

刘向诚，雷斌

（西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710021）

野外WSN监测系统数据透明传输的实现

刘向诚，雷斌

（西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安710021）

针对在野外环境监测中点多面广、环境恶劣等问题，研究ZigBee技术能够实现野外环境数据的无线传输。而以前的传感器网络不满足ZigBee协议的要求，不能通过ZigBee网络进行传输，这里介绍一种基于Z⁃Stack协议栈，在ZigBee网络中实现以CC2530终端数据低功耗串口透明传输的系统，该系统能够通过终端节点将采集到的数据无线透明传输到协调器节点上，从而实现数据的无线传输，并且该设计功耗低，适合野外长期使用。

Z⁃Stack协议栈；ZigBee网络；透明传输；低功耗

0 引言

伴随社会发展对各种信息的无限需求，野外环境监测越来越受到有关部门的重视，随之而来的问题也就越来越多。在很多监测场，因为探头布设比较分散、数采仪需求量较大，在当前科研经费有限的情况下无法全部实现自动化采集，仍然需要组织人员定期到现场观测。基于以上需求，给出一种基于ZigBee技术的WSN分布式测控系统，WSN（Wireless Sensor Network，无线传感器网络）是一种新型的数字化探测技术，融合了传感技术、信息处理技术和网络通信技术。在德州仪器（TI）公司提供的半开源ZigBee协议栈Z⁃Stack程序基础上实现CC2530终端低功耗数据的串口透传，通过传感器采集到的数据与终端节点相连，终端节点与协调器进行数据的透明传输，协调器再通过串口将数据上报给PC机。

1 系统的整体设计

整个系统由PC机，数采仪，协调器以及终端节点构成。整个网络中的协调器只能有一个，而与数采仪相连的终端节点可有多个。系统的总体设计图如图1所示。

图1 系统的总体设计图

数采仪将现场采集到的数据通过转换接口发送到终端节点上，终端节点在获取串口数据以后，对所获得的数据进行封装，然后通过基于IEEE 802.15.4的ZigBee无线通信协议将数据传递给协调器，协调器把所获取的数据进行解析，应用层获得数据以后再通过串口上传到PC机，PC机可以在串口调试器上读取采集到的数据，从而实现数据的采集，透明传输以及数据的上报整个过程。

2 低功耗管理及定时唤醒功能

整个软件的开发均以实现终端的低功耗为核心，因此低功耗是终端的最大特点；又因为终端还担任数据传输任务，所以终端的另外一个功能是能够实现两个模块间数据的透明传输。但具体实现低功耗的情况需要根据在野外可能遇到的问题而设置进入低功耗的条件。

本设计是采用休眠与唤醒方式来实现低功耗设计的，终端节点在每次唤醒后，根据查询协调器是否有任务或者通过判断是否有网络存在来决定是否进入休眠状态。

以本设计所选用的终端节点芯片CC2530为例，通过阅读其数据手册，得知其具有3种不同休眠运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。在工作模式下，由于ZigBee技术的传输速率低，传输数据量小，因此信号收发时间短；在非工作模式下，ZigBee节点处于休眠状态。

CC2530有3种供电模式，分别是PM1，PM2，PM3，根据分析得知PM1模式功耗比较大；PM2模式比较省功耗而且可以被定时器唤醒；PM3模式最省电但只能被外部中断唤醒，有一定局限性。综合考虑选择PM2模式，PM2模式通过睡眠定时器，实现终端节点的休眠、唤醒，使其低功耗运行，减少节点能耗。

终端低功耗功能流程图如图2所示。

图2 终端低功耗功能流程图

每隔8 s终端会自动唤醒，唤醒后自动检测是否存在网络，如果存在网络，则启动入网流程，如果没有网络，则继续休眠。终端醒来后会处于准备状态，准备接收协调器的命令，待终端完成采集工作后，由协调器广播休眠命令，终端收到休眠命令后，会自动进入休眠状态，考虑到恶劣情况，即网络不稳定，网络连接又断开后，终端也会进入休眠，这样就实现了终端的低功耗问题。终端成功入网后的流程图如图3所示。

图3 终端入网后的流程图

3 数据的透明传输

在无线透明传输应用中，发射模块（也可作为接收模块）与接收模块（也可作为发射模块）进行信息交换的数据格式，没有像指令字头、结束符等数据包信息，只要发射模块串口有数据输出，模块就把串口的数据以无线方式编码发送。当接收模块接收到发射模块发送的无线数据信号后进行解码，把解码后的数据按发射模块的格式从串口输出，所发即所得，即对模块使用者来说是透明的。其流程示意图如图4所示。

图4 透传流程示意图

这里的发送方主要是指终端节点，而接收方主要指协调器，协调器将终端节点发来的数据经过解析后，通过串口上传到PC机去读取数据，整个数据的传输过程对于发送方和接收方都是透明的，PC机如果想获得某个终端节点采集的数据，可以通过串口向协调器发送命令，根据网络拓扑结构找到相应节点的网络地址，从而完成采集命令的发送。

整个网络系统中主要涉及到基于IEEE 802.15.4的ZigBee网络通信协议，主要是发送方的射频模块通过ZigBee通信协议将封装好的数据传递到接收方的射频模块，这一方面对于用户来讲是透明的。

3.1 串口透传的主要程序

本系统协调器和终端节点程序主要是基于Z⁃Stack协议栈进行编写的，其中串口透传相关函数如下，使用C语言编程：

（1）首先在SampleApp.c中添加函数

至此整个和串口透传相关的函数均已添加完毕。

3.2 串口透传实验

透传实验的原理图如图5所示。

图5 透传实验的原理图

将协调器通过串口与PC机相连，打开SSCOM串口助手，将串口助手设置为波特率为115 200 b/s、8位、无奇偶校验、无硬件流模式；再将终端按照同样的方法和设置与PC机相连，上电后终端LED长亮表示入网成功，此时协调器发送“on0”作为启动命令，终端再发送10个a到10个h作为80个字节，看协调器的接收情况。

串口测试结果如图6所示。图6左侧是协调器串口图，右侧是终端串口图。

测试结果：根据ZigBee协议栈官方资料的查阅，通过多次对发送数据包字节个数的调整，以及对SSCOM串口助手定时发送时间的更改，得出串口透传一个数据包最大为83 B，每个数据包之间的时间间隔不能少于33 ms才不会产生丢包现象。因此，建议一个数据包为80 B，一秒内传输的数据包个数不要超过30个。

图6 串口测试结果图

4 结语

本设计主要是在德州仪器（TI）公司提供的半开源ZigBee协议栈Z⁃Stack程序基础上，通过CC2530开发板实现终端低功耗串口透明传输以及数据的采集。因为ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。所以本设计避免了复杂的通信协议，网络组建方便、快速，采用无线传输方式，受地理环境约束小，低功耗，适合长期野外使用。

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Realization of data transparent transmission for WSN monitoring system

LIU Xiang⁃cheng，LEI Bin
（Institute of Electronic and Information Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

ZigBee technology research is benefit for overcoming multiple point，broad area，harsh environment and other is⁃sues in the field environmental monitoring，as well as realizing wireless transmission of environmental data in field.The previous sensor network could not meet the requirements of zigbee agreement，and could not transmit data through ZigBee network.A low power serial data transparent transmission system through CC2530 terminal in ZigBee network is introduced in this paper，which is based on Z⁃Stack protocol stack.The system can transmit the data collected through terminal nodes to the coordinator nodes in wireless transparently transmission mode.The system has the advantage of low power consumption，and is suitable for long⁃term use in the field.

Z⁃Stack protocol stack；ZigBee network；transparent transmission；low power consumption

TN919⁃34

A

1004⁃373X（2015）05⁃0019⁃04

刘向诚（1988—），男，陕西西安人，硕士，研究生。主要从事无线传感器网络、ZigBee网络的研究。

雷斌（1966—），男，陕西西安人，硕士，副教授。主要从事无线传感器网络、嵌入式系统、地理信息系统等方面的研究。

2014⁃09⁃26