基于ZigBee的数据监测系统设计

JournalofZhengzhouNormalEducation2016年7月Jul．2016

基于ZigBee的数据监测系统设计

连惠杰

（河南省教育信息中心，河南郑州450008）

摘

要：设计了基于ZigBee的数据监测系统，详细阐述了该系统的框架以及各个模块的功能，实现了系统的软

件设计，主要包括网络建立、数据接收和包的解析过程等。该系统可为实际构建ZigBee管理系统提供技术支撑。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；数据监测中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：2095－3488（2016）04－0042－03

ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低功耗无线通信所需要的一系列网络通信协议。ZigBee协议在设计网络构架时参考开放式系统互联（OpenSystemInterconnection）模型，结合无线网络特点，采取分层思想实现。ZigBee无线网络从下到上共分为5层，分别是物理层、介质访问控制层、网络层、应用程序支持子层、应用层。其中，物理层和介质访问控制层的数据传输规范遵循IEEE802．15．4标准，而ZigBee联盟定义了网络层、应用程序支持子层和应用层的数据传输规范。ZigBee网络节点按照功能可分为协调器（coordinator）、路由器（router）和终端节点（enddevice）三种类型。ZigBee具有低功耗、低速率、近距离、高容量、短时延、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低成本、高安全性等特点，主要适用于自动控制和远程控制领域

［1－3］

可维护性。1

数据监测系统开发环境

本系统的硬件平台主要包含ZigBee网络和嵌入式网络两个部分，其中ZigBee网络平台部分采用——集微处理器与ＲF收发芯片于一体的Soc芯片—JN5121，嵌入式平台部分采用高性能嵌入式处理器S3C2440。JN5121是兼容IEEE802．15．4的低功耗、低成本无线微型控制器。它集成了32位ＲISC处理器且完全兼容2．4GHzIEEE802．15．4的无线收发器，并配有64kbＲOM和96kbＲAM，其高度集成化的优良特性为无线传感器网络应用提供了低成本的解决方案

［4，5］

。

M04控制器为核心的ZigBee协调器以JN5121-和路由器硬件节点包含以下几个模块：电源处理模JN5121-M04模块、块、实时时钟模块、传感器模块、数据存储模块、液晶显示模块以及通信接口电路模块，其整体结构如图1所示。

。ZigBee技术弥补了

低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，伴随着ZigBee2007协议的逐渐成熟，其在工业控制、农业、医学应用、智能家居和商业楼宇自动化等领域有广阔的应用前景。

本文利用ZigBee无线网络技术以JN5121单片机设计无线传感器网络节点，以S3C2440处理器作为ZigBee网关设计了一个远程数据监测系统，介绍了系统的整体框架并分析了系统的ZigBee应用程序结构以及各个模块的功能。该系统具有良好的远程访问功能，同时具有良好的可扩展性、可移植性和

图1

收稿日期：2016－05－26

ZigBee节点硬件结构图

作者简介：连惠杰（1980－），河南省教育信息中心工程师，解放军信息工程大学博士研究生，主要研究方向：河南漯河人，基于主题的WEB信息采集。

·42·

本文提出的数据监测系统使用以下三个平台进行软件开发：VisualStudio2015、Code：：Blocks和PlatformBuilder。2数据监测系统的设计与实现2．1

系统结构

数据监测系统基本结构如图2所示，主要分为四个模块：网络节点、网络协调器、嵌入式Web服务器以及客户端。系统采用分层结构设计，总体可分为四层：（1）底层是装有ZigBee无线通信模块和各种传感器的网络节点，利用传感器进行各种数据采集并提供路由功能，通过ZigBee技术与其他节点进行无线网络通信，交换消息转发数据；（2）网络协调器负责组建和维护网络，对各节点实施监控，同时接收网络节点采集的数据信息，将其发送给嵌入式Web服务器，还负责接收客户端的数据请求；（3）嵌入式Web服务器是连接局域网和Internet的桥梁，负责接收网络协调器传入的采集数据，创建数据库并负责TCP数据交换，处理来自客户端的连接请求

［6］

；（4）最上层是客户端，可以随时随地通过互联

网远程获取并处理数据信息。

图2

数据监测系统结构图

2．2软件设计

本系统的软件结构也分为四个模块：ZigBee网

络节点程序、网络协调器程序、嵌入式Web服务器程序和客户端程序。其中ZigBee网络节点实时监测并将采集到的数据信息发送至网络协调器；网络协调器程序负责建立并维护ZigBee无线网络的运行，

从ZigBee网络节点接收实时数据，将其发送至嵌入式Web服务器；客户端程序主要用于查询信息。嵌入式服务器程序是本系统的逻辑处理核心模块，

负责接收网络协调器发来的ZigBee网络节点数据，并对接收到的数据信息进行分析处理，将其存储到嵌入式数据库，

此外还作为TCP服务器处理互联网上远程客户端的连接请求及查询请求，从嵌入式数据库中提取信息作为查询结果返回给客户端。

本系统中ZigBee网络节点负责采集传感器读取的各种数据，并将其发送给网络协调器，其运行流

程如图3所示。ZigBee网络节点的主要工作如下：首先完成ZigBee协议栈以及外设的初始化工作，然后查询信道，

选择合适的网络并向协调器节点发送请求，在收到允许加入的确认信息之后加入网络，此后网络节点即可读取传感器获得的数据信息并将其发送至协调器。

图3ZigBee网络节点运行流程图

不论ZigBee网络采用哪一种拓扑方式，都必须

有并且只能有一个网络协调器节点。协调器作为ZigBee网络的核心，负责建立网络并能发现其他要求加入网络的节点，具有自组织功能。网络初始化工作完成后，

即便关闭网络协调器，ZigBee网络仍可以正常工作。协调器作为ZigBee网络和嵌入式Web服务器之间的桥梁，将网络节点采集的数据通过串口传输给嵌入式Web服务器进行处理。具体工作如下：首先进行网络初始化工作，查询并选择合适的信道建立网络，等待路由器或者终端节点加入网络后，

协调器就可以接收由这些节点发送来的数据信息。ZigBee网络建立流程如图4所示。协调器与嵌入式服务器之前通过串口进行数据交换，为了正确识别对方发送的数据需要封装自定义串行数据包，即按照一定的协议，由发送方将数据信息封装成协议指定格式的数据包，以串行数据流形式进行传输，接收方在收到数据包后按照协议进行拆包，还原数据信息。

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客户端使用TcpClient类与嵌入式Web服务器建立连接并通过TCP传输方式进行数据交换。主机利用TcpListener侦听是否有传入的连接请求，TcpClient则使用标准Stream流处理技术，以统一的方法发送或接收数据，更加直观地读写数据。3

结语

本研究基于ZigBee无线网络技术和嵌入式系统设计了一个远程数据监测系统。该系统具有低功耗、低成本、低速率、支持大量节点等优势。该系统除了能对监控区域内的所有节点状态进行实时采集并以此掌握整个区域的状态，还能对区域内节点发

图4

协调器建立ZigBee网络流程

回的信息进行存储和处理并将处理结果显示出来，便于客户及时掌握监控区域的状态。此系统可以为后续的无线定位、路由开发等基于ZigBee技术的深入研究和ZigBee的产品开发奠定基础。

参考文献：

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作为核心模块的嵌入式Web服务器程序是功能最复杂的部分，程序框架如图5所示。该模块负责接收并分析ZigBee网络节点采集的数据信息，创建并维护数据库，还需要创建TCP服务器以便于实时检测是否有客户端的连接请求，并使用TCP传输方式处理客户端请求，进行数据交换，为客户端提供远程访问功能。

图5嵌入式Web服务器应用程序框架

（责任编辑谢建刚）

DesignofDataMonitoringSystemBasedonZigBee

LIANHui－jie

（EducationalInformationCenterofHenanProvince，Zhengzhou450008，China）

Abstract：Inthepaper，adatamonitoringsystembasedonZigBeewasdesigned，thesystemframeworkandthefunctionofeachmoduleweredescribedindetail，andthesoftwaredesignofthesystemwasrealized，mainlyincludingnetworkestablishment，datareceiving，theparsingprocessofcompressionpackage，andetc．ThesystemcanprovidetechnicalsupportfortheactualconstructionofZigBeemanagementsystem．

Keywords：ZigBee；wirelesssensornetworks；datamonitoring

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