基于ZigBee技术的嵌入式监控系统设计与实现

无线传感器网络是由部署在被监控区域内的大量携带传感器的设备节点通过无线通信的方式组成的一个多跳自组织的网络系统,能够协作地感知、采集和处理覆盖区域中被监测对象的信息,它能够广泛应用于医疗护理、环境监测、军事、商业等领域。 Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层(MAC层)、网络层、安全层和应用层组成。其中物理层和MAC层协议由IEEE802.15.4协议定义,网络层和安全层由Zigbee联盟制定,应用层根据用户自己的需要,对其进行开发利用,Zigbee技术是为低速率网络设计的无线网络协议,是目前最适合无线传感器网络的标准协议。 目前对无线传感器网络的研究尚处于起步阶段,少数投入实用的商业产品在集成多种传感器、大面积监控范围、可靠性等方面距离实际需求还相差甚远。本文应用德州仪器推出开放式商业化ZigBee协议栈——Z-Stack,设计了一个应用于烟草仓库树簇拓扑监控网络系统。文章具体工作包括: 首先,介绍了无线传感器网络的概念、特点以及体系结构,简要介绍IEEE802.15.4协议,分层次重点介绍了ZigBee协议。 接着,对烟草仓库监控系统的需求进行深入分析,给出了系统设计思想,并且给出了2.4GHz射频硬件电路设计详细的实现过程以及对四种传感器的选型。然后,深入分析Z-Stack协议栈工作原理。包括对网络建立流程、树簇拓扑网络的建立、分布式网络地址分配、自愈路由算法等进行了深入讨论。之后设计了对温湿度传感器驱动。在对Z-Stack OSAL机制分析后,设计编写了应用层代码,完成了软件部分设计。 最后,设计了多种实验:通信距离测试、传感器测试、树簇网组网实验等,验证了硬件设计的正确性和网络地址分配、自愈路由算法的有效性,验证了设计的监控系统功能达到了预期的效果。