基于Zigbee技术的防溺水系统设计
方案设计
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术属于一种短距离、低功耗的无线通信技术,其特点是通信近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率,主要适用于自动控制和远程控制领域,可嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。
Zigbee协议采用分层结构,协议的每一层为其上一层提供一系列透明的特殊服务,比如数据传输服务、网络控制服务等。层与层之间通过服务接入点(SAP)连接,每个SAP都支持一定数量的服务,从而实现所需的功能。在协议栈中,所有数据通信都用帧的格式组织,每一层都有特定的帧结构。比如,当应用程序需要发送数据时,通过APS的数据服务发送请求到APS子层,然后在以下的每一层都会为其附加由各层帧头组成的帧信息。 GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS是GSM的延续,它与以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)的方式来传输的。因此,使用者所负担的费用是以其传输资料为单位计算的,并非使用其整个频道,从理论上看较为便宜。GPRS的传输速率可达56~114 kBps。 2 系统结构设计
该系统的结构设计如图1所示。系统分为感知层、服务器层、
网络层、用户层。感知层即为危险区域的Zigbee网关,它将实时监控得到的数据打包通过
GPRS发送到网络层,数据在服务器层经过分析后得到反馈指令,再通过网络层传输至用户层。
3 无线传感器网络的硬件设计 3.1 传感器网络
由于无线传感网络在通信上会消耗较大的能量,因此,选用了功耗较小的CC2530为通信器件设计无线网络节点。传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元,通信单元(射频模块)和电源单元组成。CC2530集成了RF、256 kB闪存、8 kB的RAM 和8 051八位MCU核。在网络节点硬件平台中,CC2530需要实现的功能及其外围模块主要分为3个部分:①通过A/D口控制传感器模块进行数据采集,控制无线RF模块完成数据收发;②通过I/O口相应的主机控制,传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连;③通过RS-232/485接口可实现网络节点与PC机的通信。 CC2530电路图如图2所示。
该系统按照树状网络结构设计无线传感器,主要由Zigbee网关和端节点实现功能。Zigbee网关具有网络协调器的功能,能与网络中的任意设备通信;端节点能定时将实时采集到的数据通过ZigBee网络发送到ZigBee网关,通过GPRS网络和互联网对接的ZigBee网关将采集得到的数据发送至网络层,并通过网络层、服务器层与用户层通信。此外,系统的各个端节点可通过ZigBee协议通信。 3.2 Zigbee网关
Zigbee网关建立于ARM-Linux嵌入式平台上,Linux系统具有安全、可靠、稳定的特点。ARM嵌入式处理器具有性能强大、成本低廉和功耗小等特点,不仅具有处理数据功能,也适用于对运算速度要求较高的场合,且可与Linux完美兼容。
该系统采用S3C2440作为主控制芯片,是三星公司生产的一款基于ARM920T核的16/32
位RISC微处理器,其主频为400 MHz,具有性能强大、功耗小、体积小、接口多的特点。S3C2440的接口如图3所示。
ARM单片机、GPRS模块与Zigbee模块共同组成了Zigbee网关。ZigBee模块负责与端节点的通信,并将接收到的数据转发到ARM单片机上处理,并将ARM单片机的数据指令发送给所有端节点或某个端节点,从而实现对危险区域环境的监测;GPRS模块负责感知层、服务器层与移动用户设备间的数据传输。
GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A模块,它能支持GPRS multi-slot class10或class8,编码格式为CS-1、CS-2、CS-3、CS-4.SIM900A自带TCP/IP协议。在数据传输方面,扩展的AT指令操作非常便捷。
GPRS无线传输网络包块控制器模块、GPRS模块、Zigbee协调器和外部设备,主要负责接收、处理数据,采用数据融合技术进行危险报警判断,并将数据发送至上位机。主控制器与GPRS模块之间通过RS232串口连接,并通过判断实时监控得到的数据执行报警、群发短信等功能。 4 系统软件设计
该系统的软件包括节点的数据采集、ARM-linux嵌入式系统软件和Zigbee网关数据传递。该系统使用的Z-Stack是TI推出的IEEE 802.15.4产品和平台兼容的协议栈,能与Zigbee 2007和Zigbee 2006规范兼容,支持包括MSP430+CC2520、CC2430和 CC2530等在内的多种平台。Z-Stack支持智能能源和家庭自动化模板,正被世界上成千上万的开发者所使用。Z-Stack的开发环境为IAR。IAR Embedded WorkBench是IAR System公司生产的产品,可提供一个嵌入式开发的完整的集成环境,用于编译、调试C或C++编写的应用程序、监测片上的Flash数据、寄存器等。
其他大规模、复杂的程序用C语言编程可提高程序的可读性。ARM-linux嵌入式系统软件
基于Zigbee技术的防溺水系统设计
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