第 21 卷 第 2 期 2008 年 3 月 浙江万里学院学报 Journal of Zhejiang Wanli University Vo1.21 No.2 March 2008 一种 Zigbee 环境监测网络的设计与实现 高惠燕 ( 浙江万里学院, 宁波 315101) 摘 要: 应用基于 Zigbee 无线技术的 智 能 网 络 化 传 感 器 进 行 环 境 监 测 有 着 很 明 显 的 优 势, 因 为 节 点 在 网 络 中 的 位 置能随机分布、随意扩充和组合. 文章详尽介绍了 Zigbee 技术和无线传感器网络, 并结合一个具体的环境监测系统 的设计和架构过程, 对在环境监测 中 应 用 Zigbee 无 线 传 感 器 网 络 的 关 键 技 术 及 其 体 系 结 构 进 行 了 细 致 地 阐 述. 该 技术具有传统环境监测系统所不具有的优势, 非常适用于环境监测应用. 关 键 词: 环境监测; Zigbee; 无线传感器网络; 传感器节点; 路由协议; 系统仿真 中图分类号: TP393 收 稿 日 期: 2007 - 11 - 26 作 者 简 介: 高惠燕, 浙江万里学院基础学院讲师, 工程硕士. 文章编号: 1671 - 2250 ( 2008 ) 02 - 0043- 05 文献标识码: A 1 引言 随着半导体、计算机、通讯等信息技术的飞速发展和高科技的进步, 在人们生活水平提高的同时, 对环境 的要求也越来越高. 环境问题已成为当今社会广泛关注的问题, 而解决该问题的关键就是环境监测. 目前, 实际使用的的各类环境监测系统普遍存在网络布线困难、成本高及实时性差等问题, 本文针对上 述问题, 提出了基于 Zigbee 无线传感器网络的环境监测系统. 该系统主要由低功耗微小无线传感器通过自 组织方式构成,可利用网络节点功耗低、工作时间长、成本低等特点, 实现危险区域的低成本无人连续在线监 测. 同时, 无线传感器网络节点布置密集, 对每个监测点都有多个节点进行测量, 可以通过数据融合提高数 据精度, 而单节点失效也不致影响测量效果, 这种测量方式使得系统容错性强. 另外, 无线传感器网络不仅 可以进行监测, 还可对指定区域进行查询, 这些特点是传统在线监测系统所不具备的. 2 Zigbee 无线传感器网络 2.1 Zigbee 技术 Zigbee 作为一种无线连接新规格, 可工作在 2.4GHz( 全球流行) 、868MHz( 欧洲流行) 和 915MHz( 美国流行) 这 3 个频段上, 并在这 3 个频段上分别具有 250kbps、20kbps 和 40kbps 的最高数据传输 速率. 它的传输距离一般在 10m～75m 的范围内, 但也可以更大. 实际的传输距离依据发射功率的大小和应 用模式而定. 而这个传输距离已经完全可以满足家庭和办公环境的应用需求. 而且, 一台 ZigBee 设备可以 连接多达 254 个其它 Zigbee 设备. Zigbee 定义了应用层和安全方面的规范, 使得来自不同厂商的设备可以 相互对话. 它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间. Zigbee 是以一个个独立的工作节点为依托, 通过无线通信组成星状、片状或网状网络, 因此, 每个节点的 功能并非都相同. 为降低成本, 系统中大部分的节点为子节点, 从组网通信上, 它只是其功能的一个子集, 称 为精简功能设备( RFD) ; 而另外还有一些节点, 负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制, 或起到通 信路由的作用, 称之为全功能设备( 也称为协调器 FFD) . 每个 Zigbee 网络节点( FFD 和 RFD) 可以支持多到 31 个的传感器和受控设备, 每一个传感器和受控设备终端可以有 8 种不同的接口方式, 可以采集和传输数 字量和模拟量. 根据上层的应用环境, FFD 和 RFD 互相组合, 可以共同协调工作, 不仅扩大了网络的覆盖范 围, 同时由于 RFD 的加入, 节省了整体功耗. 

44 浙江万里学院学报 2008 年 3 月 Zigbee 基于 DSSS ( 直接序列扩频) , 保证了系统的抗干扰性. Zigbee 的数据链路层分成逻辑链路控制 ( LLC) 和媒介访问控制( MAC) 2 个子层. 其中 LLC 在 IEEE802.6 标准中定义, 为 IEEE802 标准所共用. 而 Zigbee 的 MAC 层为了增加灵活性, 具有两类地址: 一类是 16bits 的局部地址, 处理起来更方便, 节约功耗; 另 一类是 64bits 的扩展地址, 可以为全球任一个设备分配唯一的地址. 为了节约功耗, 提高电源使用效率, MAC 层的访问方式还支持信标访问. 同时网络有自组织、自维护功能, 硬件设备加入或离开网络都很简单, 可以最大程度减少开支和维护的成本. 由于 Zigbee 技术具有功耗极低、系统简单、组网方式灵活、成本低、低 等待时间等性质, 相比于其他无线网络技术, 更适合于环境监测系统的设计. 2.2 无线传感器网络 无线传感器网络( WSN, Wireless SensorNetworks) 是当前国际学术界和产业界共同 关注的前沿研究热点. 传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的 3 大高科技产业. 无线 传感器网络综合了传感技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等, 是由部署在监测区域内大量的廉价集 成化微型传感器结点组成, 能够通过各类微型传感器相互协作, 实时、全方位地感知、采集和处理网络覆盖区 域中感知对象的信息, 监测的信息可由自组织的无线通信网络、以多跳中继的方式传送到监控中心, 使监测 者能够实时准确地获取监测区域的详细信息. 它具有传感器节点密度高, 网络拓扑变化频繁, 以及节点的功 率、计算能力和数据存储能力有限等特点. 可以在需要安放传感器的地方任意布置传感器节点无须电源和 数据线, 增加和减少数据点非常容易. 一个典型的无线传感器网络体系结构包括: 分布式传感器结点( 群) 、Sink 结点、传输网络和监控中心等. 在无线传感器网络中, 结点可通过飞机布撒, 人工布置等方式, 大量部署在感知对象内部或者附近. 这些结 点通过自组织方式构成无线网络, 以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息, 可以实现对 任意地点信息在任意时间的采集、处理和分析. 这种以自组织形式构成的网络, 通过多跳中继方式将数据传 回 Sink 结点, 最后借助 Sink 链路将整个区域内的数据传送到远程控制中心进行集中处理. 通常的传感器结 点由电池供电, 一般需要连续工作 3 个月以上, 因此发射功率要被严格控制, 只有很小的发射范围, 而 Sink 结点具有较高的电能, 发射能力较强, 可以把数据发送到远程监控中心结点. 3 环境监测系统设计 通过对当前的环境监测系统现状的研究, 可以结合无线传感器网络技术、嵌入式系统技术和网络通信技 术设计和实现一套适用于多种场合和环境的无线传感器网络环境监测系统. 3.1 系统整体设计 由于有线监测系统其自身的局限性以及各类环境的复杂性, 大气、水质、土壤、噪声、辐 射、固体废物、农药等各类待采集的环境参数都无法有效的获得监测. 本文提出的环境监测系统是基于无线 传感器网络, 在采集地散布无线传感器节点, 这些结点通过自组织方式构成无线网络. 其具体网络结构如图 1 所示, 由图 1 可知, 在左边的无线传感器网络中监测节点( 子节点即图中的 node 和 route node) 将检测数据 通过 ZigBee 模块 IP- Link1000 或者直接或者通过其他节 点 ( route node) 转 发 的 方 式 发 送 给 主 节 点( Sink node) , 主节点不仅集成了无线模块, 还集成了网卡协议芯片, 这使主节点具有因特网功能, 可以将接收到的 数据发送到 Internet, 从而安装了相应接收软件的上位机就可以接收到这部分数据. 3.2 传感器节点设计 3.2.1 Zigbee 无线收发模块 IP- Link1000 Helicomm 公 司 的 IP- Link1000 作 为 一 种 ZigBee 无线收发模块, 是集成了射频收 发器、微控制器、数字和模拟 I /O、多点多 拓扑网络层功能于一身的半双工无线通 讯系列模块. IP- Link1000 系列模块大小 仅占 1 平方英寸, 可以灵活的嵌入到既有 的产品中, 轻而易举实现无线感测和监控 网络的功能. 可以广泛应用于智能家居、远程抄表、远程监视和控制、工业自动化、建筑自动化和安全监控等 领域. 图 1 系统网络结构 

第 2 期 高惠燕: 一种 Zigbee 环境监测网络的设计与实现 45 IP- Link1000 系列模块是嵌入式的低功耗低传输率的无线收发器, 工作频率在 ISM 频段. 它集成一个嵌 入式的 8051 微处理器、一个高性能的单片窄带无线电收发器、三通道 10 位模拟量输入和基于 ZigBee 的协 议栈. IP- Link1000 系列模块内置 FCC 授权的 915MHz 无线模块. 它内嵌的网络通讯协议, 完整体现了世界 上最新的 ZigBee v1.0 网络层的强大功能. 使用 IP- Link1000 系列模块开发的产品, 可以方便地组成星状、动 态树状以及网状等各种网络( 支持单跳、多跳的 ACK 机自动重发机制) . 将模块与传感器、输入的仪器和设 备连接就可以组建和体验基于 ZigBee 的无线网络. IP- Link1000 系列模块的主要特点有: 支持多达 255 个 网络节点的链接方式; 300MHz 到 1000MHz 的无线收发模块; FSK 调制方式; 高效率发射、高灵敏度接收; 76.8kbps 的无线数据速率; IEEE.802.15.4 标准兼容产品; 内置集成微处理器; 具备 UART 接口; 10bit, 23K 采 样率 ADC 接口; 微功耗待机模式. 3.2.2 嵌入式芯片 LPC2214 Philips LPC2214 是基于 ARM7TDMI- S 的高性能 32 位 RISC 微控制器. 该处 理器是 Philips 公司为嵌入式应用提供的高性价比微控制器解决方案, 通过在 ARM7TDMI- S 内容基础上扩 展一系列的通用外围器件, 使系统费用降至最低, 增强了系统对外部设备的支持能力. 由于 LPC2114 集成了 丰富的片上资源, 所以系统本身的扩展大大减少, 这不但减小了产品的体积, 而且便于维护. LPC2214 集成了 Thumb 扩展指令集, 256KB 可在系统中编程的片内 Flash 和可在应用中编程的 16 位 KB RAM, 向量中断控制器, 外部总线控制器, 2 个 UART, I2C 串行接口, 2 个 SPI 串行接口, 2 个定时器( 7 个 捕获 /比较通道) , 可提供多达 6 个 PWM 输出的 PWM 单元, 8 通道 10 位 ADC, 实时时钟, 看门狗定时器以及 112 个通用 I /O 引脚, 通过可编程的片内锁相环( PLL) 可实现 LPC2214 最高为 60MHz 的 CPU 时钟频率. 相 对众多 ARM 系列产品来说, LPC2214 是一款性价比较高的 ARM7 芯片. 其主要应用于 Intenet 网关、串行协 议转换、访问控制等领域. 3.2.3 传感器节点硬件结构图 无 线 传 感 器 节 点 所 负 责 的 工 作 是数据采集和传输, 所以硬件结构比 较简单, 只需要用 MCU LPC2214 驱 动对应各部分模块即可, 图 2 所示为 传 感 器 节 点 硬 件 组 成 . 其 中 IP - Link1000 通过 UART 接口连接, 用于 传 感 器 节 点 之 间 的 数 据 无 线 传 输 ; JTAG 调试模块用于调试程序, 通过 JTAG 接口调试, 并通过该接口将程 序写入 Flash 存储器; 电源管理模块 用于能量供给. 本系统中子节点主要 用于环境参数数据采集, 因此对于子 节点, 参数采集传感器可通过 I2C 接 口 连 接 , 从 而 实 现 对 附 近 环 境 的 温 度、湿度、风速、噪声等参数进行采集; 而主节点的作用主要是将子节点采集的数据进行汇总并传递给上位 机, 与子节点相比, 主节点多了网络传输模块, 少了数据采集部分. 3.3 路由协议设计 环境监测无线传感器网络中数据处理过程分为两个步骤, 分别为簇形成阶段和数据传 输阶段. 簇形成阶段主要是用一种分簇机制, 把节点分为若干个簇; 在数据传输阶段, 簇内普通节点向簇头 节点传输数据, 簇头节点进行数据处理后, 再向 Sink 节点传输. 图 2 无线传感器节点硬件框图 由于无线传感器网络能量有限, 为了节能从而延长网络生命期. 本文采用一种基于集中式和分布式相 结合的分簇算法: 在网络生命周期初期, 为了得到较大的吞吐量, 采用集中式的方式形成簇类; 当能源即将 耗尽时, 转而采用分布式算法来决定簇类的产生, 即 Sink 节点不再参与簇类的生成, 而是由传感器节点自身 通过协商来决定簇类的产生. 在网络生命周期初期, 无线传感器网络中选择最优簇类是一种典型的组合优化问题, 具体描述为: M 维空 

46 浙江万里学院学报 2008 年 3 月 间上的 n 个模式&Xi|i=1, 2, ……, n}, 要求聚成 k 类, 使得各类自身内的点间距离最近, 譬如要求 , 其中 P=1, 2, ……, k, np 为第 p 类中的点数. 簇类问题 最小. 其中 RP 为第 P 类的中心, 即: 描述很简单, 但最优化求解却很困难, 其主要原因是所谓的“组合爆炸”, 簇类的可能划分方式有 Kn /K! 个. 在无线传感器网络中选择最优簇类是著名的 NP 难题, 可以用模拟退火算法来得到近似最优解. 当能源将耗尽的节点占全部节点的 70%时, 认为节点的能源普遍比较贫乏, 为了最大化网络生命周期, 转而采用分布式算法来决定簇类的产生. 可采用一种基于节点权值的分布式、自协商成簇算法, 在这种算法 中, 每个节点计算自身的权值来指示该节点适合充当簇头的程度. 各节点的权值可用一个考虑多种因素的 通用公式来表示: Wight=Energy_RemainANeighbor_Num/( CH_Times+1) , 其中 CH_Times 表示节点在以前回 合中充当的簇头节点的次数; Neighbor_Num 表示节点的邻近数目; Energy_Remain 表示节点的剩余能量. 数据传输阶段划分成帧, 簇内每个普通节点在簇头节点分配的时间槽里一次传送一帧, 每个时槽中, 数 据恒速传送. 在簇形成时, 每个簇的节点数并不相等, 故每个簇内时槽的大小也不相等, 时槽的大小根据簇 内每个普通节点的多少决定. 为了减少能源浪费, 簇内每个普通节点都使用能源控制, 在自己时槽中, 才打 开发送装置, 进行数据传输. 3.4 系统仿真测试 为了验证该 Zigbee 环境监测网络的有效性, 可以利用网络环境模拟器 NS- 2 ( 版本 2.29) 对其进行仿真. 仿真中选取两种不同形状的“600×600”和“800×400”, 并在区域内分布 20 个节点, 分别 在 UDP 和 TCP 数据包下仿真. 仿真得到的文件中包含各个节点完成监测任务时消耗的电量数据. 在做了 多次不同流量的 UDP 数据包实验以后, 得出如表 1 所示的结果, 表中的数据表示节点在指定时间执行监测 任务时的电量值. 节点号 1 节点号 2 节点号 3 节点号 4 节点号 5 60s 66.64 76.50 99.25 86.64 94.40 表 1 区域“600×600”仿真 UDP 流量 80s 36.05 35.65 94.05 47.50 59.80 120s 6.75 13.20 91.40 23.35 38.42 160s 0.0 5.02 86.20 13.24 22.55 200s 0.0 0.0 86.20 6.06 13.24 250s 0.0 0.0 86.20 0.0 6.52 300s 0.0 0.0 86.20 0.0 0.0 通过 NS- 2 仿真, 在反复多次的实验中, 通过改变节点数、拓扑构型、仿真时间、数据量及数据包类型等, 分析比较获得的数据, 可以证明本文提出的基于无线传感器网络的环境监测系统设计方案是切实有效的. 4 结束语 无线传感器网络由低功耗微小网络节点通过自组织方式构成无线通信网络, 能够通过密集的节点布 置, 协作地实时感知、监测和采集网络分布区域内的各种微观环境信息, 并对这些信息进行处理, 从而获得 详尽而准确的信息. 基于 Zigbee 协议的环境监测无线传感器网络具有传统环境监测系统所不具有的优势, 非常适用于环境监测应用. 参考文献: [1 ] 孙 利 民 , 李 建 中 , 陈 渝 , 等. 无 线 传 感 器 网 络[M]. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社 , 2005. [2 ] 李 春 杰 , 刘 瑞 霞 , 王 继 志. 基 于 无 线 传 感 器 网 络 的 监 控 平 台 设 计[J ]. 传 感 技 术 学 报 , 2006, 1( 1) :13- 15. [3 ] 任 丰 原 , 黄 海 宁 , 林 闯. 无 线 传 感 器 网 络[J ]. 软 件 学 报 , 2003, 14( 7) :1282- 1291. [4 ] 于 海 斌 , 曾 鹏 , 王 忠 锋 , 等. 分 布 式 无 线 传 感 器 网 络 通 信 协 议 研 究[J ]. 通 信 学 报 , 2004, 25( 10) :102- 110. [5 ]Arici T, Altunbasak Y. Adaptive Sensing for Environment Monitoring Using Wireless Sensor Networks[J ]. Wireless Communications and Networking Conference, 2004:2347- 2352. [6 ] 郑 增 威 , 吴 朝 辉. 若 干 无 线 传 感 器 网 络 路 由 协 议 比 较 研 究[J ]. 计 算 机 工 程 与 设 计 , 2003, 24( 9) .2003:537- 544. 

第 2 期 高惠燕: 一种 Zigbee 环境监测网络的设计与实现 47 Design and Realization of Zigbee Envir onment Monitor ing Networ k GAO Hui- yan ( Zhejiang Wanli University, Ningbo 315101) Using Zigbee Wireless Sensor Networks Abstr act: in environment monitoring has many remarkable advantages owing to its random distribution, scalability and combination of nodes in sensor networks. This paper introduces the Zigbee technology and Wireless Sensor Networks at length,and exhausts the crucial technology and the architecture of the Zigbee Wireless Sensor Networks application in environment monitoring in detail that is based on the design and the construction of the environment monitoring system. Key wor ds: environment monitoring; wireless sensor network; Zigbee; system simulation sensor node; routing protocol; !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( 上接第 34 页) 参考文献: [1 ] 萨 师 煊 , 王 珊. 数 据 库 系 统 概 论 ( 第 三 版 ) [M]. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 , 2000. [2 ] 吕 震 宇 , 阎 红 灿 , 刘 保 相. 关 系 代 数 中 “除 法 ”运 算 的 SQL 查 询 实 现[J ]. 河 北 理 工 学 院 学 报 , 2005, ( 3) : 81- 84. [3 ] 李 旭 帅 , 毛 宇 光. SQL 语 言 的 形 式 语 义[J ]. 微 机 发 展 , 2005, ( 3) : 14- 16. [4 ] 李 大 庆, 胡 小 京. 在 SQL 语 言 中 用 Group By 子 句 实 现 除 法[J ]. 哈 尔 滨 商 业 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) , 2003, ( 3) : 314- 316. [5 ] 廉 师 友. 人 工 智 能 技 术 导 论 ( 第 二 版 ) [M]. 西 安 : 西 安 电 子 科 技 大 学 出 版 社 , 2002. Division Operation Semantics and Realization by SQL Based on Predicate Logic WANG Lu- bang, ZHANG Qing- yuan, CHU Cheng- zhe ( Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100) Abstr act: The RDB ( Relational DataBase) is a kind of database, with a strict mathematics model, which has solved data storage and applyications. Division is one of the basic operations, which is difficult to be realized. The paper developed a method to realize the division in MS SQL, which decomposes the division process with predicate logic. The paper proposes a method about division, also gives a teaching method about division operation in MS SQL. Key wor ds: relational algebra; predicate calculus; SQL division