基于无线传感器网络的单片机教学研究

●李合军

一、概述

（一）ZigBee 协议下的无线传感器网络

传统单片机发展的过程较长，在传统单片机发展的过程中也遇到了一些问题。因此，在传统单片机发展到一定阶段后，出现了无线单片机。从传统单片机到无线单片机的过渡和转化过程在本文中有必要进行简要的阐述和探讨。在对上述内容的进行研究和探讨的基础上，笔者基于ZigBee 协议提出了一种新型的网络教学系统和实验模式。该种教学系统和实验模式也正是依托无线传感器网络完成的。在该种实验模式和教学系统中，分布有不同的传感器节点，这些传感器节点之间通过网络互相连接，形成了一种新型的架构模式。不同的无线网络传感器之间的组合形成的不同样式的拓扑结构。在这种设计下，不同的数据采集点所采集到的所有有效数据将会利用构建的连接的网络进行传输，并最终传输到用户的终端设备上，以此来完成整个传输活动。除此之外，处于终端控制位置的用户群体同时也能通过网络信号的传输对架构上的各个无线网络传感器节点进行控制。通过这种架构模式，可以实现信息传输的双向互动，用户可以便捷的控制无线传感器节点，无线传感器采集到的信息也可以及时返回用户终端。

（二）单片机演变历程

单片机相关技术在世界范围内的发展已经经历了较长的时间，在发展阶段内单片机在运行速度上也有了明显的提升和优化。该种提升为单片机的计算和应用带了诸多便捷条件和优势。具体而言，单片机在最初的发展阶段为8 位单片机，经历长期的技术更迭，单片机技术逐渐演变到32 位单片机。单片机技术也因此带来了技术上的大发展。从客观上来看，上述单片机的发展和技术更迭主要体现在运行速度上，这种改变实质上是数量上的改变而非本质的改变。只有单片机技术真正实现了质的飞跃才能被称之为根本上的更迭和变化。具体而言，单片机技术只有实现了无线化、无线网络化，并将无线功能进行集成，才属于单片机技术的飞跃和发展。单片机在实现了无线化和无线网路传感器的集成的情况下，可以实现更广的应用范围，并且可以更深刻的产业变革。因此，上述的单片机技术的变革更具应用价值。但是，无论是无线网络传感器技术的更新还是单片机技术的更迭都会给教学活动带来新的挑战。因此，本文的研究具有一定的实践价值。

二、无线传感器网络单片机教学与实验平台

ZigBee 协议下的无线传感器网络系统的组成由不同的设备组成。具体而言，该设计系统内需要包括PC 设备。PC 设备在整个设计系统中处于核心位置。该设计系统内还包括了网关相关设备和无线传感器网络设备。整个系统内的各项设备在系统运行的过程中都需要通过无线网路进行连接，从而实现数据的及时传输，实现整个系统的设计目的。

（一）系统连接模式

该套系统的连接模式具体阐述如下：PC 机是整个设计系统的控制部分。PC 设备与系统内的网关设备连接，PC 设备将通过网关作为中介设备与系统中的其他设备进行连接，并实现相应的控制活动。网关将实现与其他各种类型的多数量设备进行连接。网关连接的设备主要有两类，第一类是的路由设备，第二类是传感器设备。路由设备和传感器设备的数量和具体布置方案将根据实际需求情况进行分配和安装。整个系统构建的方案属于可变更的灵活状态，这也是为了能够在实践活动中方便使用和配置。在标准的系统设计模式下，网关设备后假设了五台路由设备，路由设备分为三个配置路径。网关后的三台路由设备后又增设了若干个传感器节点。在本套设计系统中，分别将其标记为路由设备A、B、C，分别将路由设备后连接的七个传感器节点标记为传感器节点1、传感器节点2、传感器节点3、传感器节点4、传感器节点5、传感器节点6、传感器节点7。其中，路由设备A分为两条配置路径，其中第一条配置路径连接了传感器节点1,第二条配置路径连接了传感器节点2。在路由设备B 的配置方面，路由设备B 与路由设备C 之间存在中继关系。PC 终端发出的设备信号会经过两台路由设备进行传输。同样地，由无线网络传感器采集到的信息也会通过双重路由设备的中继到达PC 设备。通过上述信息传输渠道的构建，可以实现传感器节点之间和PC 设备之间信息有效传输。路由设备C 最终连接与剩余的无线网络传感器节点进行连接实现系统之间的联系。

系统连接模式示意图

（二）关键设备介绍

1.PC 设备。在该设备中将设置多台PC 设备，以实现不同的工作任务和目标。在不同的PC 端之间可以实时保持连接，以获得操作和任务的同步进行。在多个PC 端与网关设备的连接时，本设计采用了有线连接的方式。其原因主要是由于实体网线可以保证连接的稳定性。除此之外，PC 设备上还设置了可视化的上机位画面，通过可视化的操作界面可以使该系统的操作更加便捷，更易于实现设计目的。PC 设备与网关设备之间建立的连接，主要可以实现以下功能：（1）实现PC 设备与网关设备之间的通信，使整个设计系统之间保持及时的信息交流。（2）PC 端可以通过与网关设备的连接实现实时观察系统运行状况的功能。（3）PC 端可以实现实时监测功能，系统运行的各项参数将实时反馈在PC 设备上，可以使用户便捷的掌握到系统运行的各种状况。（4）PC 端可以实现对系统的控制。PC 端的可视化面板上将会显示各种控制参数，用户可以实现便捷地对各项功能进行控制和操作。

2.网关设备。在本文设计的系统中网关设备主要起到了建立网络连接的作用。本文中研究的系统中的各个设备之间必须依靠有效的网络连接才能实现。通常运行状态下，PC 端发送的指令将通过网关向的其他设备进行传输。PC 端将发送的指令传输至网关设备，网关设备再将相应的指令发送至路由节点和其他终端传感器节点。同样地，终端传感器节点也可以将其采集到的信息通过路由设备传输至网关设备，最终将所需数据传输至PC 端。

3. 路由节点及设备。由于终端设备数量通常情况下较多且分布较广。因此，网关设备不可能与每一个终端传感器节点之间产生连接，此时就需要路由节点及设备进行数据的中继服务。

4. 终端传感器设备。终端传感器设备主要实现的功能是采集各项数据。其中包括对各种环境数据的采集活动，例如可以实现对光线的控制以及对温度数据以及光照数据进行采集。

三、软件平台

（一）软件平台功能

在该系统内设置了上位机ZigBee 无线网络监控软件，该软件可以实现可视化显示的功能。这种可视化显示主要是基于网络拓扑实现。除此之外，该软件还可以实现传感器节点的相关数据的读取以及可视化。具体而言，可以实现读取温度、光敏值、信号强度的读取和可视化显示。这为用户使用带来了较强的便利性。该软件可以实现对各个传感器节点的程序配置和下载、拓展实验过程中所需要的其他配置等功能。

（二）ZigBee 无线网络监控软件的特点

ZigBee 无线网络监控软件的特点主要有以下五点：其一，可以实现对传感器网络的监控并管理。使用户可以实时控制整个系统运行。其二，可以实现数据的可视化。其三，可以实现网络运行状况的实时监控。其四，可以实现命令的发送和信号的传输功能。其五，可以通过PC 对系统中的节点进行配置。

四、结语

在本文中，笔者研究和设计的无线传感器网络可以实现将传感器所收集到的信息通过路由设备进行中继后，再通过网关设备传输至PC 端，PC 端作为主控电脑可以通过运用相应的软件系统实现可视化的读取。在用户使用的过程中，也可以通过操作主控电脑对传感器节点进行单独控制。本文中设计的单片机系统可以实现环境数据监测等功能。但是其作为一种教学实验系统，其具备较强的可扩展性。将其他类型的传感器设备或其他装置增添至该系统内，就可以实现更加丰富的功能。因此，本文中所提出的基于无线传感器网络的单片机教学系统有着较强的实用性，可以满足多种实际需要。