ZigBee技术在物联网实验室的应用
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摘 要: 物联网专业的建设和发展必不可少地需要建设物联网应用的实验实训场所。本文介绍了如何基于zigbee技术实现物联网实验室的建设。Zigbee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、时延短、网络容量大、抗干扰性能好、低数据速率、可靠、安全的双向无线通信技术。实验室设备包括红外热释传感器、温湿度传感器、光照传感器、各种实验室传感器、遥控窗帘、紧急按钮、空调、除湿器、照明灯等。这些设备采用ZigBee 网络实现协同工作,即实现了智能系统正常运行。
关键词: 物联网 实验室 ZigBee无线网络技术
一、物联网的定义及发展
“物联网”(Internet of Things)指的是将各种信息传感设备,如射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。物联网是一个未来发展的愿景,其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。能够实现人在任何时间、任何地点、使用任何网络、联系任何人或物,以达到信息交换的自由。
目前,世界各国都在物联网研究方面投入巨资,我国也不例外。早在10年前,中科院就启动了传感网研究。现如今,物联网更是被提升为国家战略,已进入快速发展时期。总体来看,物联网发展已成为国家层面技术及产业创新的方向之一,重视物联网的研究和开发,推进物联网产业化、规模化发展的技术环境已基本具备。物联网技术的发展带动了经济社会形态、创新形态的变革,推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新形态的形成。
二、ZigBee技术的优势及应用
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置,安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的:
(1)数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输应用。
(2)功耗低:在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用六个月到两年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
(3)成本低:ZigBee数据传输速率低,协议简单,大大降低了成本,且免收专利费。
(4)网络容量大:每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
(5)时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
(6)安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法。
(7)有效范围小:有效覆盖范围10~75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
(8)工作频段灵活:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。
一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗及系统成本都在增加。相对于现有的种种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。
三、物联网实验室建设方案
高职院校自主研制物联网实验室,应主要包括温度传感器节点、多媒体传感节点、RFID节点,以及多种传感器节点实验室。搭建物联网融合实验室,包括网络传输节点、传感器节点、数据处理和控制节点,实现完整的物联网系统功能。另外还可以与不同行业的相关企业合作,建立校外实训基地。
1.系统硬件设计
系统硬件,通过上位机向串口发送命令到协调器,协调器接收到数据后,分析并将命令再发送到受控的智能终端控制其动作,最终完成要求并返回终端的状态信息。各种实验室设备可在信息交互的基础上实现互相操作,相互协作和远程控制的功能。系统创新性在于提出了万能联动功能,即任何传感器可以和任意执行器之间产生联动。温湿度传感器可以联动打开空调,或者打开除湿器;入侵探测器报警可以联动打开灯光;光照传感器将检测到的光照强度来判断是否打开照明灯,或者打开电动窗帘等操作。
2.系统软件设计
本系统开发环境是IRA7.30B,采用的协议栈为TI的Z-STACK。系统将解调器通过串口和上位机相连,通过人机交互的方式对实验室的传感器和环境参数进行采集。必须知道每个传感器节点的网络地址,这就需要每个传感器设备在加入网络后把网络地址发送给协调器,协调器收到传感器的网络地址后建立地址表存储起来,以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。
(1)协调器节点软件设计
ZigBee协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数,供后面使用。在加电之后,ZigBee协调器首先应当扫描信道,选择合适的信道和网络标识建立网络,然后允许其他设备加入网络,到这里ZigBee协调器的初始化工作结束。进入正常操作状态之后,zigBee协调器需要管理网络中的设备,包括处理它们的加入和离开;ZigBee协调器需要处理来自其他设备的绑定请求,为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息;它还需要能够处理各种设备和服务查询请求;还需要能够发送和接收数据。
当协调器收到信息时,根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。若是传感器的网络地址,则把该网络地址存储在地址表里,然后把网络地址通过串口发给上位机,由上位机做进一步处理;若是传感器采集的数据信息,则需通过标识符进一步判断;如果用户是数据采集请求,则把该数据显示给用户。当用户通过上位机监测系统发送数据请求时,传感器的网络地址会通过串口发给协调器,协调器根据该网络地址进行数据采集。
(2)传感器节点软件设计
设备上电后将扫描信道,加入合适的PAN网络,加入网络后将把16位网络地址发给协调器。设备工作时将周期地轮询路由器,看是否有采集数据命令信息。若有,则采集数据并把数据发给协调器,否则继续侦听信道。在进入正常操作状态之后,ZigBee终端设备往往只是简单地发送和接收数据,它们并不处理网络管理等功能,大多数时候都处于休眠状态。
在建立这样一个平台后,我们便可以依照研究目的的不同,更改传感器及应用程序,为进一步的无线传感器实验室建设打下坚实的基础,推动物联网技术的发展,真正地实现“物物相连,感知世界”。
参考文献:
[1]郎为民.大话物联网.人民邮电出版社,2012:05.
[2]顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用.电子技术应用,2010.