ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開發(fā)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)是由大量微型智能傳感器節(jié)點(diǎn)以無線多跳方式形成的自組織網(wǎng)絡(luò)，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，特別是我國高校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)以來，作為物聯(lián)網(wǎng)重要支撐技術(shù)的WSN進(jìn)一步成為研究、應(yīng)用的熱點(diǎn)。

ZigBee是建立在IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)之上的新興無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與Bluetooth、Wi-Fi等相關(guān)技術(shù)相比，ZigBee更適合低速WSN中對(duì)成本、安全性、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和功耗有特殊要求的節(jié)點(diǎn)之間的無線互連。ZigBee增強(qiáng)版ZigBeePRO于2007年發(fā)布，已有多家知名半導(dǎo)體廠商為其提供芯片、協(xié)議棧和開發(fā)環(huán)境支持。

針對(duì)電子科技大學(xué)中山學(xué)院學(xué)生實(shí)踐教學(xué)和創(chuàng)新訓(xùn)練需要，設(shè)計(jì)了一套基于ZigBee的WSN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。平臺(tái)中傳感器終端、路由器、協(xié)調(diào)器三類節(jié)點(diǎn)設(shè)備均以JN5148無線微控制器為核心，硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)。利用該平臺(tái)開展多層次、案例化教學(xué)和項(xiàng)目設(shè)計(jì)訓(xùn)練，可使學(xué)生較快掌握ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)，有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)能力。

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成與功能

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由運(yùn)行ZigBeeCenter軟件的上位機(jī)以及協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器終端等ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備組成［9-11］。首先由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)并接受各路由器和傳感器終端的加入，其后，傳感器終端按要求定時(shí)采集現(xiàn)場參數(shù)并通過多個(gè)路由器組成的網(wǎng)狀網(wǎng)匯聚至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將其傳給上位機(jī)，利用ZigBeeCenter軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)、處理和顯示。此外,上位機(jī)還通過協(xié)調(diào)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)健康狀況進(jìn)行監(jiān)控。圖1所示為該平臺(tái)構(gòu)建的ZigBeeWSN示意圖。

為提高實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)備通用性，釆取了模塊式硬件結(jié)構(gòu)。主控板硬件可完全滿足協(xié)調(diào)器、路由器的運(yùn)行需求，傳感器終端則由不同功能的傳感器板通過擴(kuò)展口與主控板連接而成。

圖1  ZigBeeWSN示意圖

2設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)

2.1主控板

主控板由JN5148無線微控制器、SST25VF040串行Flash存儲(chǔ)器、FT232RL串口芯片、基本人機(jī)界面和擴(kuò)展插座組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

JN5148是NXPJennic公司推出的第三代32位無線微控制器，片內(nèi)集成了32位RISCCPU、2.4GHzIEEE802.15.4射頻收發(fā)器以及128KBROM、128KBRAM、5路SPI口、2個(gè)異步串口、與I2C/SMbus兼容的兩線串口、21路并口、3個(gè)應(yīng)用定時(shí)/計(jì)數(shù)器、3個(gè)系統(tǒng)定時(shí)器、4路12位ADC、2路12位DAC、2個(gè)模擬比較器、1個(gè)數(shù)字音頻接口以及看門狗等資源。用戶設(shè)計(jì)的IEEE802.15.4/ZigBee應(yīng)用程序代碼存于外部串行Flash存儲(chǔ)器，系統(tǒng)復(fù)位后由ROM中的BootLoader加載到內(nèi)部RAM運(yùn)行。

FT232RL芯片實(shí)現(xiàn)JN5148異步串口0與上位機(jī)USB口的適配連接，該連接可用于代碼下載、數(shù)據(jù)上傳和主控板供電，除USB口外，主控板也支持電池和穩(wěn)壓電源供電。

本系統(tǒng)的基本人機(jī)界面包括2個(gè)LED、2個(gè)按鍵和1個(gè)無源蜂鳴器，可用于主控板狀態(tài)提示和模式設(shè)置。兩個(gè)20針插座J1、J2為各種傳感器終端提供外部擴(kuò)展支持，除21路并口和標(biāo)準(zhǔn)SPI口外，擴(kuò)展信號(hào)中還包含4路ADC、2路DAC以及JN5148復(fù)位信號(hào)。

2.2傳感器板

傳感器板有多種不同類型，以 S01 傳感器板為例，其電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖3中，AT24C01A為I2C接口的1Kb串行E2PROM存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)傳感器板的設(shè)備ID，設(shè)備ID由16位類型碼和32位序列碼組成。JN5148的DIO14、DIO15為I2C總線復(fù)用口，可與AT24C01A的SCL、SDA直接連接。DHT11為低成本單總線溫濕度傳感器模塊，溫度測量范圍0~50℃，分辨率為1℃，精度為±2℃；濕度測量范圍20%~90％RH，分辨率為1%RH，精度為±5％RH。PIR為熱釋電紅外感應(yīng)模塊，采用高、低電平輸出，100°視角范圍內(nèi)有效作用距離5~7m。CMOS攝像頭模塊C328內(nèi)置OV7640圖像傳感器和OV528處理器，可在外部命令控制下實(shí)時(shí)完成圖像采集、JPEG壓縮、串行輸出等操作。C328采用與RS232兼容的數(shù)據(jù)傳輸格式，波特率最高為115.2Kb/s。其信號(hào)電平為3.3V，故可直接與JN5148的串口1相連接。紅外LED實(shí)際有6只，用于低光照條件下的補(bǔ)光照明，JN5148通過DIO18對(duì)其進(jìn)行亮度控制。光照傳感器采用5516型光敏電阻，其亮電阻為5~10kΩ，暗電阻為500kΩ，通過下拉電阻分壓后輸出隨照度變化的模擬電壓，由JN5148進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。干簧管KM用作門磁開關(guān)，在上拉電阻配合下輸出高、低電平，指示房門的開關(guān)狀態(tài)。

3軟件設(shè)計(jì)

該硬件平臺(tái)所支持的實(shí)驗(yàn)分為三個(gè)層次，即JN5148接口實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集綜合實(shí)驗(yàn)和WSN設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。前兩個(gè)層次不涉及無線通信，借助NXPJennic公司提供的IntegratedPeripheralsAPI函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)JN5148片上接口以及板載人機(jī)界面設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備、傳感器的驅(qū)動(dòng)與控制。

WSN設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的任務(wù)是利用NXPJennic公司提供的JenOS操作系統(tǒng)和IEEE802.15.4/ZigBeePRO協(xié)議棧API函數(shù)，分別設(shè)計(jì)傳感器終端、路由器、協(xié)調(diào)器控制程序，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的分布式采集、無線路由傳輸和匯聚處理。協(xié)調(diào)器和路由器程序相對(duì)簡單。用戶程序主要完成設(shè)備、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)的初始化和運(yùn)行狀態(tài)指示，以及協(xié)調(diào)器與上位機(jī)之間的串行通信。

傳感器終端的程序相對(duì)復(fù)雜一些。完成系統(tǒng)初始化并成功加入網(wǎng)絡(luò)后，傳感器終端按上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)采樣傳感器輸出，拼裝為APDU數(shù)據(jù)幀，再通過ZPS_eAplAfUnicastDataReq函數(shù)發(fā)送出去。為降低平均電流，傳感器終端絕大部分時(shí)間處于SLEEP狀態(tài)。只有當(dāng)WakeTimer溢出，或有DIO中斷發(fā)生(如熱釋電傳感器檢測到非法入侵)時(shí)，傳感器終端才被喚醒，向父節(jié)點(diǎn)查詢有無收到協(xié)調(diào)器發(fā)來的上位機(jī)控制指令，并在滿足采樣條件時(shí)，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、拼裝和發(fā)送等操作，之后，再次進(jìn)入SLEEP狀態(tài)。傳感器終端的工作流程如圖4所示。

圖4  傳感器終端軟件流程圖

ZigBeePRO設(shè)備開發(fā)工具包括Eclipse集成環(huán)境、JN51xxC語言編譯器、JN51xxFlash編程器、JTAG調(diào)試服務(wù)器以及ZPS和JenOS配置器。

上位機(jī)軟件ZigBeeCenter利用C++Builder開發(fā)，采用串口事件驅(qū)動(dòng)的程序結(jié)構(gòu)，圖5所示為ZigBeeCenter運(yùn)行界面。

4教學(xué)應(yīng)用

電子科技大學(xué)中山學(xué)院先后在電子競賽培訓(xùn)、開放性實(shí)驗(yàn)等環(huán)節(jié)，利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和配套實(shí)驗(yàn)教程開展ZigBeeWSN實(shí)踐教學(xué)。入門階段主要通過8個(gè)基礎(chǔ)性、綜合性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生掌握J(rèn)N5148片上接口和外部設(shè)備的程序控制方法。提高階段，先介紹IEEE802.15.4/ZigBeePRO、WSN基本原理，再通過2個(gè)典型案例講解ZigBeeWSN系統(tǒng)組成、節(jié)點(diǎn)工作流程及程序?qū)崿F(xiàn)方法，接下來要求學(xué)生對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，增加更多功能。研究階段，要求學(xué)生3人一組，用3周時(shí)間完成一項(xiàng)自擬課題設(shè)計(jì)。

圖5  ZigBeeCenter軟件運(yùn)行界面

由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟硬件支持性好，參考資料豐富，所以學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和工作效率都很高，在較短的時(shí)間內(nèi)，不但掌握了ZigBeePRO、WSN的技術(shù)要點(diǎn)，還在老師指導(dǎo)下開發(fā)了有源RFID、移動(dòng)目標(biāo)定位、家居安防、可視對(duì)講、電子導(dǎo)游、自動(dòng)點(diǎn)餐、病患護(hù)理等實(shí)用系統(tǒng)，其中有些設(shè)計(jì)還在廣東省大學(xué)生電子競賽、全國高校電子信息創(chuàng)新作品評(píng)選等活動(dòng)中獲獎(jiǎng)。

5結(jié)語

本文所設(shè)計(jì)的ZigBeeWSN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有較強(qiáng)的技術(shù)綜合性和體系開放性，適合開展單片機(jī)接口、過程控制、無線通信、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、WSN等方面的層次化、創(chuàng)新性教學(xué)與實(shí)驗(yàn),能夠有效調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣，培養(yǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)能力，提高工程素質(zhì),拓展知識(shí)面，更好地服務(wù)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用人才培養(yǎng)目標(biāo)。

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