引言

無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetwork,WSN)是由大量微型智能傳感器節(jié)點以無線多跳方式形成的自組織網(wǎng)絡，在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等諸多領域有著廣闊的應用前景近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的興起，特別是我國高校開設物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)以來，作為物聯(lián)網(wǎng)重要支撐技術的WSN進一步成為研究、應用的熱點。

ZigBee是建立在IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范基礎之上的新興無線網(wǎng)絡技術，與Bluetooth、Wi-Fi等相關技術相比，ZigBee更適合低速WSN中對成本、安全性、動態(tài)組網(wǎng)和功耗有特殊要求的節(jié)點之間的無線互連。ZigBee增強版ZigBeePRO于2007年發(fā)布，已有多家知名半導體廠商為其提供芯片、協(xié)議棧和開發(fā)環(huán)境支持。

針對電子科技大學中山學院學生實踐教學和創(chuàng)新訓練需要，設計了一套基于ZigBee的WSN實驗平臺。平臺中傳感器終端、路由器、協(xié)調(diào)器三類節(jié)點設備均以JN5148無線微控制器為核心，硬件采用模塊化結構。利用該平臺開展多層次、案例化教學和項目設計訓練，可使學生較快掌握ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡相關技術要點，有效提高無線傳感器網(wǎng)絡應用開發(fā)能力。

1實驗平臺的組成與功能

實驗平臺由運行ZigBeeCenter軟件的上位機以及協(xié)調(diào)器、路由器、傳感器終端等ZigBee節(jié)點設備組成［9-11］。首先由協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡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采集現(xiàn)場參數(shù)并通過多個路由器組成的網(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，利用ZigBeeCenter軟件對數(shù)據(jù)進行分類存儲、處理和顯示。此外,上位機還通過協(xié)調(diào)器對網(wǎng)絡動態(tài)拓撲結構和節(jié)點健康狀況進行監(jiān)控。圖1所示為該平臺構建的ZigBeeWSN示意圖。

為提高實驗平臺的設備通用性，釆取了模塊式硬件結構。主控板硬件可完全滿足協(xié)調(diào)器、路由器的運行需求，傳感器終端則由不同功能的傳感器板通過擴展口與主控板連接而成。

圖1  ZigBeeWSN示意圖

2設備硬件結構

2.1主控板

主控板由JN5148無線微控制器、SST25VF040串行Flash存儲器、FT232RL串口芯片、基本人機界面和擴展插座組成，其硬件結構如圖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個異步串口、與I2C/SMbus兼容的兩線串口、21路并口、3個應用定時/計數(shù)器、3個系統(tǒng)定時器、4路12位ADC、2路12位DAC、2個模擬比較器、1個數(shù)字音頻接口以及看門狗等資源。用戶設計的IEEE802.15.4/ZigBee應用程序代碼存于外部串行Flash存儲器，系統(tǒng)復位后由ROM中的BootLoader加載到內(nèi)部RAM運行。

FT232RL芯片實現(xiàn)JN5148異步串口0與上位機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)的基本人機界面包括2個LED、2個按鍵和1個無源蜂鳴器，可用于主控板狀態(tài)提示和模式設置。兩個20針插座J1、J2為各種傳感器終端提供外部擴展支持，除21路并口和標準SPI口外，擴展信號中還包含4路ADC、2路DAC以及JN5148復位信號。

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，其電路結構如圖 3 所示。

圖3中，AT24C01A為I2C接口的1Kb串行E2PROM存儲器，用于存儲傳感器板的設備ID，設備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時完成圖像采集、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。其信號電平為3.3V，故可直接與JN5148的串口1相連接。紅外LED實際有6只，用于低光照條件下的補光照明，JN5148通過DIO18對其進行亮度控制。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進行A/D轉(zhuǎn)換。干簧管KM用作門磁開關，在上拉電阻配合下輸出高、低電平，指示房門的開關狀態(tài)。

3軟件設計

該硬件平臺所支持的實驗分為三個層次，即JN5148接口實驗、數(shù)據(jù)采集綜合實驗和WSN設計實驗。前兩個層次不涉及無線通信，借助NXPJennic公司提供的IntegratedPeripheralsAPI函數(shù)，即可實現(xiàn)對JN5148片上接口以及板載人機界面設備、執(zhí)行設備、傳感器的驅(qū)動與控制。

WSN設計實驗的任務是利用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)，分別設計傳感器終端、路由器、協(xié)調(diào)器控制程序，實現(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簡單。用戶程序主要完成設備、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡的初始化和運行狀態(tài)指示，以及協(xié)調(diào)器與上位機之間的串行通信。

傳感器終端的程序相對復雜一些。完成系統(tǒng)初始化并成功加入網(wǎng)絡后，傳感器終端按上位機設定的時間間隔定時采樣傳感器輸出，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間處于SLEEP狀態(tài)。只有當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，傳感器終端才被喚醒，向父節(jié)點查詢有無收到協(xié)調(diào)器發(fā)來的上位機控制指令，并在滿足采樣條件時，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、拼裝和發(fā)送等操作，之后，再次進入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)試服務器以及ZPS和JenOS配置器。

上位機軟件ZigBeeCenter利用C++Builder開發(fā)，采用串口事件驅(qū)動的程序結構，圖5所示為ZigBeeCenter運行界面。

4教學應用

電子科技大學中山學院先后在電子競賽培訓、開放性實驗等環(huán)節(jié)，利用該實驗平臺和配套實驗教程開展ZigBeeWSN實踐教學。入門階段主要通過8個基礎性、綜合性實驗，使學生掌握JN5148片上接口和外部設備的程序控制方法。提高階段，先介紹IEEE802.15.4/ZigBeePRO、WSN基本原理，再通過2個典型案例講解ZigBeeWSN系統(tǒng)組成、節(jié)點工作流程及程序?qū)崿F(xiàn)方法，接下來要求學生對設計進行完善，增加更多功能。研究階段，要求學生3人一組，用3周時間完成一項自擬課題設計。

圖5  ZigBeeCenter軟件運行界面

由于實驗平臺軟硬件支持性好，參考資料豐富，所以學生的學習熱情和工作效率都很高，在較短的時間內(nèi)，不但掌握了ZigBeePRO、WSN的技術要點，還在老師指導下開發(fā)了有源RFID、移動目標定位、家居安防、可視對講、電子導游、自動點餐、病患護理等實用系統(tǒng)，其中有些設計還在廣東省大學生電子競賽、全國高校電子信息創(chuàng)新作品評選等活動中獲獎。

5結語

本文所設計的ZigBeeWSN實驗平臺具有較強的技術綜合性和體系開放性，適合開展單片機接口、過程控制、無線通信、ZigBee網(wǎng)絡、WSN等方面的層次化、創(chuàng)新性教學與實驗,能夠有效調(diào)動學生興趣，培養(yǎng)應用設計能力，提高工程素質(zhì),拓展知識面，更好地服務于物聯(lián)網(wǎng)應用人才培養(yǎng)目標。

20211021_6171206adf6ae__ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡教學實驗平臺開發(fā)1