基Zigbee线网络技术水质环境监测系统设计
云南民族学 陈 楠
更种水环境进行监测Zigbee协议基础TICC2430CC2431线芯片核心构成线传感器网络实验室水槽模拟水环境中水温电导率（电压形式）指标进行实时监测实践证明：该方法构成水环境监测系统组网简单方便便宜易维护扩展推广前景
着国工业水迅速发展创造巨济效益时环境问题越越突出水生命源水环境监测保证生活工业农业水安全成越越关注焦点
目前国水环境监测采两种方式：(1)便携式水质监测仪进行工采样法远程实时检测水质参数该方法监测周期长劳动强度时效性差针性差(2)采线线监测采线环境破坏性监测范围时费较高两种方法适应满足前信息化理求
国外世纪90年代期力发展水环境实时动监测系统已实现产品化应广泛数采集传输速度较快美国YSI水质垂直剖面动监测系统美国HACH公司供水网水质监测系统等然提供系统测量参数精度高性价格昂贵操作复杂安装环境求高适合国现状
线传感器组成网络监测系统越越受青睐ZigBee蓝牙WiFi等线通信标准相功耗低成网络容量时延短安全性高等优点通信距离达10～100m
鉴分析文设计线网络建立ZigBee协议基础组网方案TI(Texas Instruments)CC243031芯片硬件电路核心构成节点编写位机分析软件处理显示传感器送回数
1 Zegbee协议栈
Zegbee协议栈体系结构图1示标准7层开放式系统互联（OSI）模型中涉Zegbee层予定义IEE802154物理层PHY(Physical Layer)介质控制子层MAC(Media Access Control)进行定义Zegbee联盟定义网络层应层
(1) 中Zegbee通信频率物理层规范负责开启关闭线收发信机量检测链路质量指示空闲信道评估信道选择数收发接送
(2) MAC层组负责协调器产生网络信标信标步支持PAN关联解关联处理维护保证时隙机制等
(3) 网络层功提供必函数确保ZegbeeMAC层正常工作应层提供合适服务接口（通服务实体理实体）
(4) 应层包括应支持子层APS Zegbee设备象ZDO厂商定义应象
2基Zegbee网络组建
ZigBee网络全功设备FFD(Full Fuction Device)精简功设备RFD(Reduced Fuction Device)两种类型FFD仅发送接受数具路功充Zigbee终端节点ZED(Zigbee End Device)充ZigBee协调器ZC(Zigbee coordinater)路节点ZR(Zigbee router)RFD充Zigbee终端节点
中协调器节点负责发起维护线网络识网络中设备加入网络路器节点支撑网络链路结构完成数包转发终端节点网络感知者执行者负责数采集执行网络动作
ZigBee协议标准中定义三种网络拓扑形式分星型树型网状拓扑
述三种网络中星型网络组网简单数通ZC转发节点间数路唯路径协调器容量限定整网络节点数目
树型网络中节点父节点子节点通信缺点然信息唯路通道
网状拓扑解决述问题网络通跳级方式通信形成复杂网络增
加存取空间换取更消息延时更高性
21 ZC初始化网络
三种基网络拓扑认星型树型拓扑网状拓扑特例针设计特点ZC初始化网络流程图图3示
述建网程首先节点电激活会判断否FFD节点接着判断该FFD节点否网络中网络中否已协调者节点然进行量检测确定合适信道动扫描检测附网络保证选取网络PAN ID会附网络重复
22 ZRZED加入网络
面ZC建成网络ZRZED加入该ZC建网络网络具实际意义加入方式两种：直接通ZC加入者通已节点加入
面节点直接通ZC加入网络例介绍节点入网程
(1) 节点电激活
(2) 发送动扫描扫描附协调器ZC
(3) 预定时间检测协调器信标该协调器发送请求关联加入命令否段时间返回（2）重新扫描
(4) 协调器资源够等段时间重复（3）ZC资源足够节点设定时间处理接受节点请求节点接协调器发送数请求命令
量检测
(5) 协调器关联命令发节点节点入网成功
(6) 面（4）中ZC资源足够没节点设定时间处理接受节点请求节点会直接协调器信标帧中提取关联响应命令提取成功节点入网成功否者会重新ZC发送关联加入命令
3 方案设计
系统设计致分两部分：部分基ZigBee线网络部分位机分析处理软件框图图4示
(1) 实验环境处理数MCU(Microprogrammed Control Unit)TICC243031芯片果数较考虑中心节点MCU换成16位者32位处理器
(2) CC243031部实已集成限收发模块RF(Radio Frequency)部分集成度较高需外接天线
(3) 位机部分处理分析线网络中节点数时发送命令改变采集参数等
31线模块电路
部分CC243031外围电路天线部分传感器扩展方便P0P1口排阵引出扩展串口接口方便种外传感器电路直接接入
32 位机数分析处理
位机部分处理线网络中节点发数实现数储存处理分析位机处理起数显示更直接处理更方便机互动更友
根文设计需Visual C++60MFC台量身编写位机数分析处理软件该软件够线网络中节点发温度电压等种数储存Access数库中实时显示数曲线通Access操作实现查询历史数显示历史数曲线等功然界面简洁处理数方面更灵活足满足设计需
4 结束语
文ZigBee协议框架概括介绍基ZigBee线网络组网程实验室通水槽模拟般水环境水环境中水温电导率等指标进行测量该方案组网简单操作简单面积推广意义
参考文献
[1]李善仓张克旺线传感器网络原理应机械工业出版社2008
[2] 瞿雷刘盛德胡咸斌Zigbee技术应北京航空航天学出版社2007
[3] Jennie Zigbee Home SnesorDemonstration User Guide．JN—UG3033 Revision 1．0．200702
[4] 李文仲段玉等ZigBee线网络技术入门实战北京航空航天学2007
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云南民族学 陈 楠
更种水环境进行监测Zigbee协议基础TICC2430CC2431线芯片核心构成线传感器网络实验室水槽模拟水环境中水温电导率（电压形式）指标进行实时监测实践证明：该方法构成水环境监测系统组网简单方便便宜易维护扩展推广前景
着国工业水迅速发展创造巨济效益时环境问题越越突出水生命源水环境监测保证生活工业农业水安全成越越关注焦点
目前国水环境监测采两种方式：(1)便携式水质监测仪进行工采样法远程实时检测水质参数该方法监测周期长劳动强度时效性差针性差(2)采线线监测采线环境破坏性监测范围时费较高两种方法适应满足前信息化理求
国外世纪90年代期力发展水环境实时动监测系统已实现产品化应广泛数采集传输速度较快美国YSI水质垂直剖面动监测系统美国HACH公司供水网水质监测系统等然提供系统测量参数精度高性价格昂贵操作复杂安装环境求高适合国现状
线传感器组成网络监测系统越越受青睐ZigBee蓝牙WiFi等线通信标准相功耗低成网络容量时延短安全性高等优点通信距离达10～100m
鉴分析文设计线网络建立ZigBee协议基础组网方案TI(Texas Instruments)CC243031芯片硬件电路核心构成节点编写位机分析软件处理显示传感器送回数
1 Zegbee协议栈
Zegbee协议栈体系结构图1示标准7层开放式系统互联（OSI）模型中涉Zegbee层予定义IEE802154物理层PHY(Physical Layer)介质控制子层MAC(Media Access Control)进行定义Zegbee联盟定义网络层应层
(1) 中Zegbee通信频率物理层规范负责开启关闭线收发信机量检测链路质量指示空闲信道评估信道选择数收发接送
(2) MAC层组负责协调器产生网络信标信标步支持PAN关联解关联处理维护保证时隙机制等
(3) 网络层功提供必函数确保ZegbeeMAC层正常工作应层提供合适服务接口（通服务实体理实体）
(4) 应层包括应支持子层APS Zegbee设备象ZDO厂商定义应象
2基Zegbee网络组建
ZigBee网络全功设备FFD(Full Fuction Device)精简功设备RFD(Reduced Fuction Device)两种类型FFD仅发送接受数具路功充Zigbee终端节点ZED(Zigbee End Device)充ZigBee协调器ZC(Zigbee coordinater)路节点ZR(Zigbee router)RFD充Zigbee终端节点
中协调器节点负责发起维护线网络识网络中设备加入网络路器节点支撑网络链路结构完成数包转发终端节点网络感知者执行者负责数采集执行网络动作
ZigBee协议标准中定义三种网络拓扑形式分星型树型网状拓扑
述三种网络中星型网络组网简单数通ZC转发节点间数路唯路径协调器容量限定整网络节点数目
树型网络中节点父节点子节点通信缺点然信息唯路通道
网状拓扑解决述问题网络通跳级方式通信形成复杂网络增
加存取空间换取更消息延时更高性
21 ZC初始化网络
三种基网络拓扑认星型树型拓扑网状拓扑特例针设计特点ZC初始化网络流程图图3示
述建网程首先节点电激活会判断否FFD节点接着判断该FFD节点否网络中网络中否已协调者节点然进行量检测确定合适信道动扫描检测附网络保证选取网络PAN ID会附网络重复
22 ZRZED加入网络
面ZC建成网络ZRZED加入该ZC建网络网络具实际意义加入方式两种：直接通ZC加入者通已节点加入
面节点直接通ZC加入网络例介绍节点入网程
(1) 节点电激活
(2) 发送动扫描扫描附协调器ZC
(3) 预定时间检测协调器信标该协调器发送请求关联加入命令否段时间返回（2）重新扫描
(4) 协调器资源够等段时间重复（3）ZC资源足够节点设定时间处理接受节点请求节点接协调器发送数请求命令
量检测
(5) 协调器关联命令发节点节点入网成功
(6) 面（4）中ZC资源足够没节点设定时间处理接受节点请求节点会直接协调器信标帧中提取关联响应命令提取成功节点入网成功否者会重新ZC发送关联加入命令
3 方案设计
系统设计致分两部分：部分基ZigBee线网络部分位机分析处理软件框图图4示
(1) 实验环境处理数MCU(Microprogrammed Control Unit)TICC243031芯片果数较考虑中心节点MCU换成16位者32位处理器
(2) CC243031部实已集成限收发模块RF(Radio Frequency)部分集成度较高需外接天线
(3) 位机部分处理分析线网络中节点数时发送命令改变采集参数等
31线模块电路
部分CC243031外围电路天线部分传感器扩展方便P0P1口排阵引出扩展串口接口方便种外传感器电路直接接入
32 位机数分析处理
位机部分处理线网络中节点发数实现数储存处理分析位机处理起数显示更直接处理更方便机互动更友
根文设计需Visual C++60MFC台量身编写位机数分析处理软件该软件够线网络中节点发温度电压等种数储存Access数库中实时显示数曲线通Access操作实现查询历史数显示历史数曲线等功然界面简洁处理数方面更灵活足满足设计需
4 结束语
文ZigBee协议框架概括介绍基ZigBee线网络组网程实验室通水槽模拟般水环境水环境中水温电导率等指标进行测量该方案组网简单操作简单面积推广意义
参考文献
[1]李善仓张克旺线传感器网络原理应机械工业出版社2008
[2] 瞿雷刘盛德胡咸斌Zigbee技术应北京航空航天学出版社2007
[3] Jennie Zigbee Home SnesorDemonstration User Guide．JN—UG3033 Revision 1．0．200702
[4] 李文仲段玉等ZigBee线网络技术入门实战北京航空航天学2007
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