基于ZigBee的无线监测系统研究

摘要：在通信技术不断发展的时下，特别是无线通信的发展为人们的生活提供了更多的方便。ZigBee技术凭借其操作性强、延时短、功耗低、大容量、通信可靠、数据安全等优点渐渐崭露头角。本文对煤堆温度的监测是在LPC2103基础之上利用ZigBee技术规范与IEEE802.15.4 协议，进行系统的研究。

关键词：无线监测 ZigBee 协议

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）11-0062-01

在经济不断发展的今天，无线技术不仅在工业控制、智能家居、过程自动化方面，还是电子消费、通信应用等领域都取得了前所未有的广泛应用。由于ZigBee技术的操作性强、功耗低、通信可靠、延时短、数据安全等优点渐渐崭露头角。

1 Zigbee技术概述

Zigbee技术是可以在短距离范围内能够实现双向无线通讯的技术，与其它的无线通迅技术相比，其数据传输安全可靠，资源消耗相对更少，成本低，功耗小。在Zigbee的协议栈中有应用层、网络安全层、介质接入控制子层、物理层四层，这种协议栈结构简单紧凑。其中，物理层（PHY）与数据链路层的协议标准是由IEEE802.15.4工作组负责制定而成，它构成了协议栈的基础部分。安全层和网络层则由ZigBee规范进行了定义，主要进行各种功能的实现，比如节点的加入或离开网、路由服务、数据通信等都是由该部分提供，而用户则可以根据自身的需求对最顶层的应用层加以开发使用。

2 整体构成

整个监测系统根据控制要求分成了参考节点、盲节点和网关电路三部分，在总体的结构组成上如图1所示。

在整个系统结构中数据采集部分是基于ZigBee终端节点提供的，组成第一部分；而无线数据传输部分则组成了第二部分；以太网数据传输部分与煤场控制PC机的数据处理构成了第三部分。

其中，数量使用最多的模块是静态参考节点。其作为相对固定的坐标位置（X，Y值），利用Texas Instruments公司的CC2430芯片作为射频收发芯片，但是对定位计算并不进行任何的参与。考虑到定位的精度问题，那么在参考节点的数量选择上也有一定的要求。一个基本完整的网络定位系统构成不能少于3个参考节点和一个盲节点。在实际的定位应用中，参考节点在数量上的选择可能还需要更多。

盲节点的芯片选择上采用CC2431作为主芯片，主要是由于CC2431的定位引擎装置比CC2430多带有一个。在盲节点的具置计算方面，通过CC2431的定位引擎接收参考节点的信息，再根据所接收到的这些盲节点信号的强弱程度对盲节点的位置进行判断。

网关电路搭配有一个参考静态节点电路，它采用的是NXP公司自带有ARM7TDMI内核的LPC2103主芯片，二者主要是通过串行外设接口SPI进行连接。对于LPC2103而言，其内部包括了片内32KB的Flash存储器与静态8KB的RAM存储器，其普通输入、输出口可多达32个，而最高工作速度可达70MHZ。

为了便于调试和降低成本，我们在设计的时候采用了层叠板的方式。核心板是带有CC2431的最小系统，而底板则包括电源部分、通讯部分、调试接口等。

CC2431作为定位引擎芯片，在定位监测过程中是使用了基于RSSI（Received Signal Strength Indicator）值（接收信号强度值）的定位算法。该算法在一定范围内是与距离有关的，距离越远，接收信号强度值越小，反之越近接收信号强度值越大，RSSI值与间隔距离成反比关系。

3 软件部分设计

系统软件设计主要是依据硬件模块进行设计的，软件部分的设计相应的也分为三个部分，分别是参考节点设计，盲节点的设计以及网关电路的设计。

在协议构建体系方面利用TI公司提供的免费Zigbee协议栈Z-Stack作为操作系统，整个协议栈能够为系统提供任务登记及初始化、信息管理、中断管理、时间管理等多方面的服务：

参考节点主要实现的功能包括：设备初始化、配置坐标值、收集并发送RSSI值等方面。控制中心在参考节点第一次加入网络的时候，会自动分配一个设定的X，Y坐标值，存储器将会收到自动分配的坐标值。对于已经存在于网络中的坐标值，取出已经存储的位置数据即可。

盲节点核心电路是由电池供电的带有定位搜索引擎的CC2431模块，对于在参考节点包围的区域内任意一个移动的未知节点，都能够在接收定位范围内对全部参考节点经由定位算法将其坐标位置计算出来。

4 结语

测试平台的构成分为无线数据通信和数据采集两部分。通过测试得出了一些结论：试验平台能够在节点较为简单的情况下，较好的实现了监测点温度的无线传输与监测并且使得通信稳定，动态配置终端节点的地址根据中心节点终端节点的位置进行配置，在无线短距离通信方面，充分体现了Zigbee技术的优势，到达了监测目的。

参考文献

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