基于ZigBee的無線傳感器網絡數據采集系統的設計與實現

劉少楠

摘要：通過對ZigBee路由協議進行研究，就優化ZigBee網絡中傳感器節點間的傳輸時延，均衡節點的能耗提出相應的改進意見。然后利用改進后的ZigBee路由協議設計和實現了一個無線傳感器網絡數據采集系統，并以光照強度、溫度、濕度數據采集為例，對ZigBee網絡中的終端節點、路由節點、協調器節點進行設計。

關鍵詞：ZigBee無線傳感器網絡；數據采集系統；ZigBee路由算法及其改進

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）28-0234-03

Abstract：Through the study of ZigBee routing protocol， the optimization of the transmission delay between the sensor nodes in the ZigBee network and the energy consumption of the equalized nodes is proposed. Then， the data acquisition system of wireless sensor network is designed and implemented by using the improved ZigBee routing protocol， and the terminal nodes， routing nodes and coordinator nodes in ZigBee network are designed with illumination intensity， temperature and humidity data acquisition as an example.

Key words： ZigBee wireless sensor network；data collection system；ZigBee routing algorithm and its improvement

1 概述

現如今，無線傳感器網絡主要用來采集指定區域內的參數信息，對數據傳輸的速率要求不高，但是對傳感器節點的穩定性、能耗和體積等方面的要求比較高。ZigBee技術由于其傳輸距離短、能耗低、成本低、時延短、可靠性高、安全性高、網絡容量大等特點[1]，主要用于近距離無線傳輸，可以適應惡劣多變的物理環境。

本文結合AODVjr路由算法中選取最佳路徑的優勢和Cluster-Tree路由算法通過父子節點轉發數據包的便捷來研究ZigBee路由算法。設計和實現了一個基于ZigBee的無線傳感器網絡數據采集系統， 由ZigBee協調器節將采集到的數據通過Wi-Fi模塊傳輸到上位機。上位機中的環境數據實時顯示軟件對ZigBee無線傳感器網絡采集到的溫度、濕度、光照強度信息進行存儲并以參數和曲線兩種形式展現給技術人員。

2 ZigBee路由算法的研究

2.1 Cluster-Tree路由算法

在Cluster-Tree路由算法中，父節點可以向子節點傳輸數據，并且子節點也可以向其父節點傳輸數據。

假設路由節點的地址為A，深度為d，目的節點的地址為D，通過公式1判斷目的節點D是不是該路由節點的子節點。

若滿足公式2，那么目的節點D是該路由節點的終端子節點，下一跳的節點地址為D。若不滿足公式2，可以判斷該目的節點D不是該路由節點的終端子節點，此時通過公式3計算出轉發的路由節點的網絡地址，由該路由節點再進行判斷和數據轉發，直到將分組信息送到最終的目的節點。

而如果目的節點D不滿足公式1，表明目的節點D不是該路由節點的子孫節點，那么將分組信息轉發給它的父節點。

2.2 AODVjr路由算法

節點根據AODVjr路由算法進行數據轉發時，首先查看該節點的路由表中是否存在到達目的節點的路由信息，如果存在，只需按照此路由把數據轉發出去。如果不存在，設備中的控制服務會告知源節點開啟路由發現過程，查找到的結果便是最佳的傳輸數據路徑。

2.3 ZigBee路由算法及改進

1） ZigBee路由算法的介紹

ZigBee協調器利用Cluster-Tree路由算法為ZigBee網絡中的傳感器節點進行網絡地址分配，完成ZigBee網絡的建立。因為Cluster-Tree路由算法規定只能按照樹形拓撲結構在父子節點間進行數據傳輸，這樣雖然可以減少路由開銷，控制分組信息在父子節點間傳輸，減少整個網絡的數據通信量。但是通過Cluster-Tree路由算法完成ZigBee網絡的建立后，數據在網絡中只能通過父子節點的樹形結構進行傳輸，帶來了很大的傳輸時延和網絡能耗。利用AODVjr路由算法來優化源節點到達目的節點的傳輸路徑，可以降低ZigBee網絡中端到端的時延，并且可以動態維護ZigBee網絡，彌補了Cluster-Tree路由算法的缺陷。

2） ZigBee路由算法的改進

通過上文的分析，Cluster-Tree路由算法的樹形拓撲結構有利于分組信息方向性的傳輸，但是傳輸的路徑卻不是最佳的。AODVjr路由算法優化源節點到達目的節點的傳輸路徑，降低ZigBee網絡中端到端的時延，并且動態維護ZigBee網絡，但是在進行路由發現和路由維護過程中增加了網絡負荷。兩個算法的結合在一定程度上形成了互補，但也存在改進之處。

（1） 使用Cluster-Tree路由算法建立好ZigBee網絡后，需要用AODVjr路由算法對路徑進行分析和修正，尋找到達目的節點的最優路徑。在這個過程中，通過Cluster-Tree路由算法控制分組信息根據樹形拓撲結構在父子節點間傳輸，當數據發送后，傳輸路徑上的中間路由節點接收到分組信息需要看看是不是它的父節點發送過來的，是則丟棄該分組信息，不是就更新該路由節點的路由表信息，同時轉發該分組信息。這樣數據廣播時就具有一定的方向性，而不是在全網范圍內廣播，降低網絡的負載和能耗。endprint

（2） 在樹簇形網絡拓撲結構中，距離ZigBee協調器節點近的簇首節點因能量消耗過快而導致整個網絡傳輸效率下降。

本文提出設定好簇首節點正常工作的最低能耗值，當簇首節點的能耗低于這個最低值時，簇首節點會發出更換請求，由ZigBee協調器選擇一個能量高于這個最低值的全功能傳感器節點作為新的簇首節點。

E表示節點作為簇首時所需要的最低能量。d表示該節點在拓撲結構中的深度。Emin是傳感器節點正常工作需要的能量。k表示節點附加能量計算系數。

對于網絡中原來的簇首節點，經過時間t后剩余的能量可以通過公式5來計算：

其中P是節點經過時間t后所剩余能量；E0為節點被選作簇首時的能量；k是節點的附加能量系數；d是節點的網絡深度。

當簇首節點的剩余能量P低于最低簇首能量E時，此時該節點會向ZigBee協調器發出更換簇首的申請。ZigBee協調器接受申請后向ZigBee網絡內的節點發送簇首競爭的消息，具備能量要求的節點采用AODVjr路由算法的路由請求分組信息同時附加簇首申請廣播給周圍的鄰節點，所有收到路由請求的節點都需要回復一個路由應答分組信息，由申請節點修改鄰居信息表。隨后將整個信息表發送給ZigBee協調器。ZigBee協調器接收到信息表后，選擇鄰居節點最多的節點作為新的簇首節點，最后新的簇首節點廣播簇首信息供周圍節點更新路由信息。

2.4 改進前后ZigBee路由算法的仿真分析

在NS-2仿真區域內，建立一個分布了50個傳感器節點的仿真區域，且傳感器節點的能量相同。ZigBee網絡采用樹簇型網絡拓撲結構，仿真時間為300s，使用CBR業務源，40Bytes的分組容量。

可以看出改進后的ZigBee路由算法利用Cluster-Tree路由算法輔助AODVjr路由算法控制RREP分組在網絡拓撲中的傳輸方向，從而加快了路由發現的過程，降低了整個網絡中分組信息從源節點到達目的節點的平均時延。

發現改進后的ZigBee路由算法在傳感器節點經過300s的工作后，能量的消耗更低。通過對比ZigBee路由算法改進前后不同節點的剩余能量證明改進后的ZigBee路由算法是節點的剩余能量高?？梢钥闯龈倪M后ZigBee路由算法采用簇首輪換機制可以更好的均衡網ZigBee絡中各個傳感器節點的能量。

3 基于ZigBee的無線傳感器網絡數據采集系統的設計

3.1 系統的總體設計架構

整個數據采集系統主要分為無線通信系統、數據采集系統和上位機軟件。

3.2 ZigBee無線傳感器網絡組建

1） ZigBee協調器創建網絡

（1） 確定協調器。

（2） 設置唯一的網絡ID。

（3） 進行信道掃描。

2） ZigBee節點加入網絡

當終端節點上電激活后，首先對附近的信道進行掃描，與自己周圍的ZigBee路由器節點進行通信，選擇合適的ZigBee路由器節點作為自己的父節點，ZigBee協調器通過網絡地址分配機制為其分配唯一的網絡地址。

3.3 ZigBee網絡中節點的設計

1） ZigBee終端節點

在ZigBee網絡中，ZigBee終端節點通過DHT11溫濕度傳感器和光敏電阻傳感器采集待測區域內的溫度、濕度和光照強度，并將采集到的數據通過CC2530芯片內置的無線收發器傳輸給上位機。

2） ZigBee路由節點

ZigBee路由器節點增加了數據傳輸的距離，擴大了ZigBee無線傳感器網絡的覆蓋范圍。ZigBee路由器節點主要是對數據進行轉發，所以不需要傳感器接口模塊，但是在進行數據轉發時，需要使用Flash存儲模塊暫存數據。

3） ZigBee協調器節點

ZigBee協調器節點是ZigBee網絡的中心，承擔著ZigBee網絡中大部分的功能，

3.4 上位機設計

環境數據實時顯示軟件能夠直接把傳感器節點采集到的環境信息展現給技術人員，并以參數和曲線兩種形式呈現，同時技術人員通過分析數據庫中存儲的歷史環境數據對環境變化進行分析。其具備的功能如圖5所示。

4 系統軟設計展示

上位機中的環境數據實時顯示軟件對ZigBee無線傳感器網絡采集到的溫度、濕度、光照強度信息進行存儲并以參數和曲線兩種形式展現給技術人員。

5 結束語

本文通過對ZigBee路由協議進行研究，設計和實現基于ZigBee的無線傳感器網絡數據采集系統，實現對待測區域內實時環境信息的采集并通過協調器將采集到的數據傳輸到上位機中的環境數據實時顯示軟件進行存儲顯示。在本文中僅僅考慮了時延和能耗方面的改進，還存在著許多值得繼續研究的地方。

參考文獻：

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[4] 蔡鑌， 袁超， 頓文濤， 等.無線傳感器網絡在農業生產中的應用研究[J]. 江西農業學報， 2010（9）.endprint