基于Arduino控制的ZigBee無線傳感網絡節(jié)點分析

李珊珊

（懷化學院，湖南 懷化 418000）

基于Arduino控制的ZigBee無線傳感網絡節(jié)點分析

李珊珊

（懷化學院，湖南 懷化 418000）

隨著現(xiàn)代無線傳感網絡的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)無線傳感網絡節(jié)點的靈活性、可變度以及通用性均表現(xiàn)出不同程度的不足。因此，在現(xiàn)有無線傳感網絡節(jié)點的研究基礎之上，可以結合新興技術Arduino的開發(fā)優(yōu)勢及ZigBee無線通信技術的特點對提升無線傳感網絡節(jié)點的通用性、靈活性以及降低節(jié)點的成本和能耗開展研究。文章不僅從系統(tǒng)架構以及功能結構方面進行了優(yōu)化設計，還盡可能降低無線傳感網絡節(jié)點的成本和功耗，具有一定實際的研究意義和價值。

無線傳感網絡節(jié)點；Arduino；ZigBee

無線傳感網絡節(jié)點是組成無線傳感網絡的基本單元，因此節(jié)點的工作性能及成本是整個無線傳感網絡優(yōu)劣的關鍵因素。本文在現(xiàn)有的研究成果之上，結合了新興技術Arduino的優(yōu)勢及ZigBee無線通信技術的特點，對提升無線傳感網絡節(jié)點的靈活性、通用性以及降低成本和能耗進行了深入研究，并理論分析設計方案的可行性，為無線傳感網絡節(jié)點的設計及應用提供了一種可參考的研究方法。

1 Arduino技術背景

Arduino是目前流行的開源硬件和開發(fā)平臺，也是硬件開發(fā)的一種趨勢。Arduino的簡單開發(fā)方式，使得開發(fā)者能更快捷地完成項目開發(fā)，并且大大節(jié)約學習的成本和縮短開發(fā)的周期。正因為Arduino的各種優(yōu)勢，越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者開始選用Arduino來開發(fā)項目和產品，同時軟件開發(fā)者也選用Arduino進入硬件、物聯(lián)網等領域進行開發(fā)，甚至在各大高校很多電子類的專業(yè)也都開設了Arduino相關課程學習。Arduino主要由兩部分構成：（1）各種類型的Arduino電路板的硬件資源，（2）Arduino編程語言以及IDE編程環(huán)境的軟件資源。目前，Arduino可為開發(fā)者提供多種多樣的Arduino的開發(fā)板以適用不同系統(tǒng)的開發(fā)硬件資源，要使用Arduino技術進行系統(tǒng)開發(fā)，其首要任務就是進行硬件的選型?；旧瞎俜教峁┑拈_發(fā)板，其電路圖以及PCB圖都是開源可查的。不同開發(fā)功能的Arduino開發(fā)板都可使用同樣的開發(fā)語言，并使用統(tǒng)一的電源接口、USB接口、數(shù)模接口等等這些對外接口，因此，鑒于Arduino UNO R3開發(fā)板的結構與特點，此次設計的硬件系統(tǒng)處理器模塊可選用Arduino UNO R3作為開發(fā)板。

2 節(jié)點設計方案研究

2.1 硬件設計構成

無線傳感網絡節(jié)點針對不同的應用背景或者相同應用背景的不同工作角色，其功能上都會存在一定地差別，但它們的基本結構卻都是相同的。這一基本結構大致可分為4個部分（見圖1），它們是能量模塊、傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊。其中，處理器模塊又可分為處理器、存儲器及高層應用3部分；傳感器模塊又可分為傳感器和A/D轉換器兩部分組成；無線通信模塊又可分為介質訪問、物理層和射頻3部分組成[1]。若設計出合理的硬件體系結構，會使傳感器接口電路、Arduino、電源管理系統(tǒng)等有效地結合起來，能使得無線傳感網絡節(jié)點具有更佳的性能指標。

圖1 硬件系統(tǒng)整體

2.1.1 傳感器模塊

主要功能是進行數(shù)據的采集和處理。模塊內所需的傳感器其類型可根據用戶需要監(jiān)測的信息類型來不同選擇。

2.1.2 處理器模塊

主要是網絡節(jié)點系統(tǒng)的控制部分。作為無線傳感網絡節(jié)點的核心功能模塊，依靠MCU和串口USB轉換完成控制各設備的數(shù)據接收、數(shù)據存儲和數(shù)據處理，實現(xiàn)傳感器模塊的數(shù)據信息和無線通信模塊的信息之間的信息互換和溝通。

2.1.3 無線通信模塊

主要是實現(xiàn)節(jié)點設備之間的信息通訊。該模塊是無線傳感網絡節(jié)點能量的主要功耗區(qū)，無線通信模塊的工作模式與能耗情況，會影響到整個無線傳感網絡的工作性能和使用壽命。

2.1.4 能量模塊

主要是為網絡節(jié)點提供工作所需的能量動力。一般情況下，大多選擇方便快捷的小型蓄電池作為網絡節(jié)點的能量供應和來源。

2.2 軟件設計構成

基于Arduino控制和ZigBee技術的無線傳感網絡節(jié)點的軟件系統(tǒng)設計是實現(xiàn)功能的重點和關鍵。此次基于Arduino控制的ZigBee無線傳感節(jié)點設計將分為4個方面進行，軟件系統(tǒng)整體構成設計、通信系統(tǒng)數(shù)據結構設計、各功能模塊的軟件設計、上位機軟件開發(fā)等等。一個合理的軟件工作流程，是靠數(shù)據采集的編寫、處理和數(shù)據以及無線通信程序和電源管理程序完美搭配，它會使得無線傳感網絡節(jié)點實現(xiàn)高效的數(shù)據采集、數(shù)據傳輸，對于節(jié)點電源管理的智能性將更勝一籌。

無線傳感網絡軟件系統(tǒng)的設計可分為節(jié)點軟件與上位機軟件。其中無線傳感節(jié)點軟件包括終端節(jié)點軟件和匯聚節(jié)點軟件，終端節(jié)點軟件主要實現(xiàn)的功能是對不同類型的傳感器數(shù)據進行采集、處理，以及對電池的電量信息進行采集處理、依照最先制定好的通信協(xié)議將采集到的傳感信息和電池電量信息以無線通信形式進行傳輸；匯聚節(jié)點軟件主要實現(xiàn)的功能是節(jié)點間組網、搜索設備、向接收終端節(jié)點發(fā)送傳感數(shù)據和電池電量信息數(shù)據、根據之前制定好的通信協(xié)議將接收到的傳感器數(shù)據以及電池電量信息以串口的方式傳輸[2]。上位機軟件功能是負責讀取出各串口接收到的數(shù)據信息，然后按照選定的通信協(xié)議來分析所收集的各類數(shù)據，然后進行相應的數(shù)據處理和存儲，最后以用戶需要的形式直觀的展示數(shù)據信息。

3 關鍵技術與可行性分析

3.1 節(jié)點實現(xiàn)關鍵技術

無線傳感器網絡節(jié)點是當下信息領域的研究熱點，涉及多門學科相互交叉的研究領域，有著眾多關鍵技術有待發(fā)現(xiàn)和研究，下面僅列出部分關鍵技術。

（1）研究ZigBee通信協(xié)議及其組網技術，設計出合理的通信協(xié)議，是實現(xiàn)無線傳感器網絡保障通信的基礎；（2）結合ZigBee無線傳感網絡節(jié)點的需求，選擇出合適的Arduino開發(fā)板，并以該開發(fā)板為設計原型進行各功能模塊的電路設計將會直接決定網絡節(jié)點的性能；（3）設計無線傳感網絡節(jié)點的軟件系統(tǒng)，通過設計合理的軟件工作流程、編寫高效的信息采集處理及無線通信程序來保證網絡節(jié)點的正常組網和運行；（4）在無線網絡節(jié)點正式組網運行之前，有必要對節(jié)點們進行相關調試和測試，這是保證節(jié)點組網后整個無線傳感網絡運行質量以及節(jié)點可靠性不可或缺的步驟。

3.2 可行性分析

（1）無線傳感網絡節(jié)點雖然有著不同應用場景以及不同工作角色，但節(jié)點的基本結構是相同的，都大致可分為傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊，這為合理實現(xiàn)硬件設計奠定了基礎[3]；（2）結合Arduino開發(fā)板的工作原理、繼電器控制電路通斷原理、模塊外圍電路、多電源自動切換供電原理等各項理論，可理論設計出基于Arduino的ZigBee無線傳感網絡節(jié)點的硬件系統(tǒng)，使得新設計的節(jié)點擁有豐富的接口、簡易的編程環(huán)境和極大的開發(fā)自由度；為節(jié)點的軟件系統(tǒng)設計提供了硬件支持和理論依據；（3）采用電子積木形式的開發(fā)理念，極大地提高了開發(fā)的靈活性，可成功解決不同傳感器接入標準不一致的問題。

4 結語

為滿足日益發(fā)展的無線傳感網絡需求，在已有傳感器技術和ZigBee研究基礎上，可以將結合新型技術Arduino的開發(fā)優(yōu)勢和ZigBee的技術優(yōu)勢，設計出一種基于Arduino技術的可應用在物聯(lián)網的無線傳感網絡節(jié)點，使它與傳統(tǒng)節(jié)點相比更具有實用性、易用性和可擴展性，同時提升無線傳感網絡節(jié)點的通用性和靈活性，并且進一步降低節(jié)點的成本和能耗。以新興技術Arduino與無線傳感網絡節(jié)點開發(fā)的結合，為無線傳感網絡節(jié)點的設計及應用提供了可參考的研究方法，同時也極大地擴展了無線傳感器網絡的應用領域。

[1]張雁琳.基于Arduino的ZigBee無線傳感節(jié)點的硬件設計[J].電子設計工程，2015（24）：162-165.

[2]戴由旺.基于ZigBee的無線智能傳感節(jié)點設計與實現(xiàn)[D].大連：大連理工大學，2008.

[3]張少軍.無線傳感器網絡技術及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

Analysis on ZigBee wireless sensor network node based on Arduino control

Li Shanshan
（Huaihua University, Huaihua 418000, China）

With the rapid development of modern wireless sensor networks, the flexibility, variability and commonality of nodes in traditional wireless sensor networks show varying degrees of insufficiency. Therefore, on the research basis of existing wireless sensor network node, we can combine with new Arduino technology development advantages and characteristics of ZigBee wireless communication technology to study how to improve the generality and fl exibility of wireless sensor network node and cut its costs and energy consumption. The article not only from the system architecture and functional structure of the optimization design, and as far as possible to reduce the cost and power consumption of wireless sensor network node, which has certain practical signi fi cance and value for research.

wireless sensor network node; Arduino; ZigBee

李珊珊（1981— ），女，湖南懷化。