基于ZigBee技术的物联网系统设计

基于ZigBee技术的物联网系统设计
摘要:针对物联网的迅速发展,提出高校有必要建立其应用的实验实训场所。

设计了一个基于ZigBee协议的实验系统,包括系统总体功能,软硬件设计及测试结果。

实地测试了系统性能,测试结果证明系统运行状态良好。

关键词:物联网ZigBee协议CC2530 实验系统
A Iot system design based on ZigBee
Abstract:It is indispensable to establish an experiment coach concourse with the dramatic development of the internet of things.This paper describes an experiment system based on the ZigBee protocol,including the system entire function,hardware design,software design as well as the test result.The performance of the system has been tested.The test results state that the system is in motion. The system can provide a valid certification to the experiment of the internet of things.
Key Words:Internet of Things;ZigBee protocol;CC2530;Experimental system
物联网是继互联网之后的又一次信息产业革命性发展,近年来,物联网的应用领域迅速增加。

ZigBee技术符合IEEE802.15.4标准,工作在2.4G免申请频段,是物联网关键技术中不可缺少的一部分。

ZigBee
是一种低功耗、低成本通信技术,支持星型、树状及网状等多种网络拓扑结构,组网形式灵活,可以满足大部分网络结构的需求。

物联网中基于ZigBee技术的应用越来越受到企业及高校研究人员的重视,相关人员建有许多个物联网实验开发平台。

物联网的特征给各行业信息化提供了智能化解决方案。

为了能让计算机系及相关专业的本科生及研究生深入了解物联网的原理、实现方法及其典型应用,让有余力的师生在此基础上进行二次开发,设计并实现了一套基于ZigBee技术的物联网实验系统。

设计一个小型ZigBee网络,采集环境温湿度,数据汇聚至网关并可以与Internet通信。

1 系统总体功能设计
系统构成有一个网关,十个传感器节点(传感器传输距离最远达一百米),服务器,PC机。

传感器节点负责实时采集温湿度数据、外部IO 信号及外部数字部件信息,其中温湿度数据依据ZigBee协议无线多跳传输至网关,网关负责收集、分析数据并在屏幕上显示环境参数,也可通过TCP/IP协议将数据传输至服务器,通过服务器可以将统计分析后的数据传输至Internet网络。

系统布置在建筑物内,为保证通信畅通,增强天线信号强度。

2 系统硬件设计
每个节点有状态指示灯,包含传感器模块、存储器、无线通讯模块及电源模块。

节点电源采用交流电供电。

节点中的收发器选择TI公司的低功耗CC2530芯片,CC2530使用符合IEEE802.15.4标准的Z-Stack协议栈,可以便捷地实现ZigBee无线网络的组建、管理,并完成数据传输。

系统中CC2530－ZNP低成本,低功耗,有ZigBee处理器,能提供一个完整ZigBee功能。

CC2530－ZNP 解决方案中,使用ZigBee SoC的CC2530处理器,使用ZigBee PRO协议栈,CC2530－ZNP处理所有的ZigBee协议任务。

使用其他的微控制器的资源来处理应用程序。

使用CC2530－ZNP,极大的提高了用户对微控制器选择的灵活性。

任何微控制器通过SPI、UART接口与CC2530－ZNP相连接。

例如,它可以结合MSP430。

网关与PC机之间采用网络通信,使用UDP方式,使用心跳包来保持互相间通信。

PC机可以与网关、传感器节点通过网络、串口、USB 等多种接口进行通信。

网关开机后将自动启动应用程序,然后自动向PC端的服务器每隔5 s发送一条心跳连接信息,服务器收到信息后将回复一条心跳信息,然后双方就可以互相进行通信。

网关与PC可以根据该信息判断对方是否存在于网络中,其中心跳超时默认3个心跳包15 s。

3 系统软件设计
本系统开发环境是IAR for ARM6.3,采用的协议栈是TI Z-Stack,系统中各层的通讯协议都以节能为中心。

网关在系统运行之前进行初始化,首先配置相关的网络参数,之后扫描信道,网络标识,建立网络,之后各终端传感器加入网络。

系统正常工作过程中,网关负责管理系统
中的设备,如设备加入或退出网络,发送和接收数据等。

终端设备将数据发送给网关后,网关判断是网络地址还是终端设备采集到的数据,并将网络地址放入地址表,将采集的数据显示给用户。

终端设备完成的工作主要是选择并加入网络,根据系统需求采集并发送数据,没有通讯任务时处于休眠状态[3]。

应用微控制器所执行的应用程序中,对CC2530－ZNP配置和控制主要包括4个方面:配置ZigBee协议栈非易性(NV)参数、注册用户应用端口、启动ZB应用和用户应用功能代码。

4 系统测试结果
实验场所选在建筑物内一个楼层,其中最远两个节点之间相距30 m,中继节点呈Z形分布,之间的垂直距离1.6 m,水平距离10 m。

测试结果表明系统工作正常,结点结构布置结构会影响系统功能,合理的结点布局可以提高网络的通讯质量,保证通信效果。

5 结语
根据物联网发展要求,设计了基于ZigBee协议的实验平台,终端传感器节点可以将采集的环境数据以多跳的方式传送到网关,网关显示环境状态,通过网络可以将结果传递给服务器,也可以通过以太网将结果上传至网络。

系统测试结果达到设计要求。

当然,系统仍存在一些不足,测试环境应多样化,传输距离需进一步加大等。

需要做出进一步研究和更多的实验测试来优化系统性能。

参考文献
[1] 陈海明,崔莉,谢开斌.物联网体系结构与实现方法的比较研究[J].计算机学报,2013,1,36(1):168-188.
[2] 姜艳芬.计算机物联网的应用研究[J].煤炭技术,2013,2,32(2):262-264.
[3] 林莉,陈丽丽.高校物联网实验室建设规划[J].长春理工大学学报,2012,4,7(4):23-24,58.
[4] 康跃明,吴燕清.基于ZigBee的井下长距离无线通讯系统[J].现代电子技术,2007,23:51－53.
[5] 张志海,沈连丰,叶芝慧,等.一种基于ZigBee的无线传感器网络教学实验系统[J].电气电子教学学报,2006,28(5):76－80.。