基于ZigBee协议无线传感网络监测的节点设计

丁唯君

摘 要： 针对无线传感器网络技术在网络监测中的特点，在分析ZigBee协议栈体系结构的基础上，研究了对网络协调器、路由器及终端节点的程序设计。针对节点计算能力、通信带宽、存储容量有限等特点，本文运用了无阻塞设计等方法，实现了传感数据的采集和传输。

关键词： ZigBee； 无线传感器； 节点

中图分类号： TN 92 文献标志码： A 文章编号： 1671-2153（2015）06-0083-04

0 引 言

无线传感器网络是一门获取和处理信息的新兴技术，它综合了微电子技术、无线通信技术、嵌入式计算技术、分布式处理技术等先进技术，其主体是低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器；它能够实时感知、监测、采集、处理和传输各类监测对象或周围环境的信息，具有动态性、自组织等优点，目前正广泛应用于各行各业。

典型的无线传感器网络是由汇聚节点，传感器节点和管理节点组成。本文主要针对环保数据监测，因此在分析ZigBee协议体系结构的基础上，在选好网络监测的硬件后，主要针对协调器节点和终端设备节点进行程序设计。

1 ZigBee协议简介[1]

ZigBee协议主要用于消耗低、距离短、成本低和传输速率不高的双向无线通信。在IEEE802.15.4标准基础之上建立了ZigBee协议架构，它包括MAC层、PHY层、NWK层。

Jennic公司在ZigBee协议栈的基础上提供了Basic Operating System（BOS）。BOS调用用户程序的接口由若干个接口函数组成。

2 无线传感网络监测的硬件选择

无线传感器网络的重要组成部分就是无线传感器节点，设计时需要考虑：微型化，扩展性和灵活性，稳定性和安全性，低成本，低功耗，高强壮性和容错性等特点。为了减少外围器件的数量， ZigBee无线处理器集处理器和射频收发器于一体，大大降低硬件开发难度与成本。综合考虑处理器价格、CPU处理能力、高集成度、低功耗、等因素，本文选用Jennic公司的JN5139-Z01-M00通信模块。

3 无线传感网络节点设计

3.1 软件开发平台

节点设计中，软件设计起着举足轻重的作用。为了本着易用方便的原则， 用户可以方便地从Jennic公司处拿到IEEE802.15.4MAC和ZigBee协议包，按照说明进行安装，就可开发基于ZigBee协议的程序，调试和编译也只需在CodeBlocks集成开发环境中进行。用户程序被编译成二进制文件后，通过Programmer软件下载到JN5139的Flash中，就可以在JN5139模块上运行。

3.2 协调器节点程序设计

ZigBee协调器节点的主要任务是建立网络，包括以下几步[2]：创建PAN coordinator、选择PAN ID和coordinator的短地址、选择射频频率、启动网络。当节点上电时，首先对设备进行初始化，以及BOS的启动。其次将协调器作为注册节点，并设置短地址和网络ID，协调器选择射频通道后启动网络，同时相应终端设备或路由器申请加入网络的要求。BOS是Jennic ZigBee协议中一个基本操作系统。同时，BOS控制ZigBee协议栈任务和用户任务的执行。协调器接收并向串口发送数据部分程序代码如下：

3.3 传感器节点程序设计

传感器节点的主要功能是采集数据并发送至协调器。节点接电、初始化后进行信道查询，选择合适的网络申请加入。成功加入网络后，读取传感器数据并发送至协调器。

以光强数据采集为例，介绍传感器节点的数据采集功能。TSL2561是一个光-数字传感器，它以I2C总线标准为依据，将光强转换成数字信号输出。

I2C[3-4]总线不在进行任何操作控制时，时钟线SCL与数据线SDA总是处于高电平输出状态。当控制系统被操作时，I2C总线的主机将发出启动信号，使数据线SDA由高电平变为低电平，同时时钟线SCL也发出时钟信号。JN5139向TSL2561发送命令的时序如图1所示。

部分代码程序如下：

字符数据传送函数send_byte（），将地址或数据发送出去，等待回应，此时对状态位进行操作（被控器无应答或损坏时，状态变为不应答或非应答，ack=0）；发送数据正常则ack=1。

重点在于无阻塞节点的设计：

（1） AD转换

由于从传感器传送到JN5139的信号都是0～2.4V标准电压，它通过ReadADC（）函数来完成模数转换常见的数据量。AD转换会消耗一些时间，在转换过程中，BOS不能执行其他任何任务，它一直在等待，因此会出现阻塞，降低了CPU的利用率。针对这种情况，本文采用无阻塞方法来执行AD转换，即：在每一次读取指令到来时，如果CPU处于忙碌状态，那么自动跳到中断，防止ADC通道阻塞，节省了时间。无阻塞流程图如图2所示。

（2）数据发送

传感器节点程序的重要组成就是数据发送。它将传感器节点的环境参数、网络地址等重要信息以多跳方式发送给协调器节点。本设计中，采用格式更为灵活的MSG帧格式，其定义如图3所示。

MSG服务促使一个应用剖面用自由形式的帧格式工作，它由自己的应用剖面定义，对数据格式不作要求，适合任何格式的数据传输。因此可以用于传送数据量大的信息。

4 结束语

本文主要介绍了监测系统的节点设计，包括利用JN5139开发ZigBee网络流程，协调器、传感器、路由器等部分主要程序的设计。随着无线传感技术的不断发展、不同领域的传感器网络的设计与实现，无线传感器网络技术一定有着广阔的发展空间，促进信息技术应用更加普及。同时，随着人们生活水平的不断提高，对生活舒适度的不断追求，相信在不久的将来，无线传感器网络将完全融入到人们的日常生活当中，为人们的日常工作服务。

参考文献：

[1] 翟雷，刘盛德，胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2] 徐志远，许贺楠，凌志浩. JN5121无线控制器的功能剖析及应用探讨[M]. 自动化仪表，2008，5（29）：61-63.

[3] 李国平，武海艳. C51实现I2C总线的应用研究[J]. 福建电脑，2006（9）：168-168，182.

[4] DENG J， HAN Y S，HEINZELMAN W B，et al.Seheduling sleeping nodes in high density cluster-based sensor networks，ACM/Kluwer Mobile Networks and Applieations（MONET）speeial issu on[J]. Energy Constraints and Lifetime Performance in Wireless Sensor Networks，2004（9）：18-19.

[5] 袁道敏，万健，何必仕. 一种使用的ZigBee网络路由算法[M]. 杭州电子科技大学学报，2009，2（29）：44-47.