【文章內(nèi)容簡介】 nk節(jié)點帶有USB數(shù)據(jù)口和RS232數(shù)據(jù)口，兩種數(shù)據(jù)口可以通過開關執(zhí)行 切換，以方便Sink與外部網(wǎng)絡或處理終端間的連接。　　仍然采用天津市思托科技有限公司推出的高度整合的SoC芯片MICA2DOT實現(xiàn)傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，～，可直接操作MICA2DOT芯片串行數(shù)據(jù)線和控制線。MICA2DOT的外圍電路設計與傳感器節(jié)點相同。 本章小結在本章中講解傳感器節(jié)點的硬件設計，由傳感器模塊、處理器模塊、無線傳輸通信模塊以及能量供應模塊組成，并一一列舉了各個模塊的組成和硬件需求，利用MTS510CA作為傳感器模塊，可以通過震動和光的傳感，傳送數(shù)據(jù)給處理器模塊，而處理器模塊由ELAN公司生產(chǎn)的EM78815處理器進行數(shù)據(jù)處理，最后通過傳輸設備發(fā)送信息給基站（Sink節(jié)點）完成數(shù)據(jù)的采集，匯聚，傳輸?shù)纫幌盗泄ぷ?。下章?jié)將會告訴大家無線傳感器網(wǎng)絡的系統(tǒng)，網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡協(xié)議棧等等。3 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)對于地下停車場的管理中重要的數(shù)據(jù)信息是時刻掌握著車位的空閑狀態(tài),以此作為智能停車管理中的重要參考依據(jù),通過在停車場入口處放置液晶顯示屏顯示停車場停車情況。當前停車場的車位的識別主要有以下技術:人工觀察車位空閑狀態(tài)、地感線圈感應車位空閑狀態(tài)、紅外線測定車位空閑狀態(tài)、攝像頭視頻采集車位圖像識別車位空閑狀態(tài)等技術來完成。其中人工識別對于較小的停車場廣泛采用,缺點顯而易見。地感線圈識別、紅外線識別技術能夠自動完成車位的識別,缺點是需要構建工業(yè)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù),而且工程量相對較大。視頻圖像識別技術能夠通過圖像處理技術來完成車位的識別,具有一定的優(yōu)越性,但是對于地下車庫光照方面和識別效果都不很理想,而且也需要構建網(wǎng)絡。采用ZigBee無線傳感器構建無線網(wǎng)絡能夠很好的解決網(wǎng)絡布線問題,而且ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量等特點,這些適合停車場管理技術的特點。 無線網(wǎng)絡技術比較在無線個人網(wǎng)(WPAN)領域,“藍牙”一直是較為經(jīng)典的技術,但由于其價格高、傳輸距離短等因素遲遲沒能大規(guī)模應用。藍牙的最初的目標是取代現(xiàn)有的PDA、移動電話等各種數(shù)字設備上的有線電纜連接,它的高帶寬特性(1Mb/s)使它更適合于音頻、視頻、圖像等多媒體設備以及需要經(jīng)常交換大量的數(shù)據(jù)的設備,但是藍牙存在著技術復雜、應用系統(tǒng)費用高、功耗高、供電電池壽命短。ZigBee的特點是低速率、低功耗、低成本等。ZigBee技術的特點如下:傳輸距離:可達10～75m,依賴功率輸出和環(huán)境特性。通信時延:15～30ms(典型搜索時延30ms,休眠激活時延15ms,活動接入時延15ms)尋址方式:64bit的IEEE地址,16bit的本地地址。網(wǎng)絡容量:一個ZigBee網(wǎng)絡可容納255個設備,最大容量高達65000個節(jié)點。網(wǎng)絡拓撲:星型,點對點,網(wǎng)狀。安全機制:提供了數(shù)據(jù)完整性檢查及鑒權功能,加密算法采用AES 128,同時各個應用可靈活確定采用何種安全機制。成本估算:模塊初始成本約6美元,隨著市場成熟,～,并且ZigBee協(xié)議免專利費。耗電情況:非常低的占空比,%。具有工作周期短、收發(fā)功耗低的特點。并且有休眠模式,一般情況下兩節(jié)5號電池可工作6個月至2年左右。 ZigBee協(xié)議結構ZigBee協(xié)議結構如圖1所示。 圖 1 ZigBee協(xié)議棧應用層定義了各種類型的應用業(yè)務,是協(xié)議棧的最上層用戶。應用程序接口負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡層上,包括安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡層的功能包括拓撲管理、MAC管理、路由管理和安全管理。數(shù)據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC),其功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 MAC子層通過SSCS(ServiceSpe2cific Convergence Sublayer)協(xié)議能支持多種LLC標準,其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除,確認模式的幀傳送與接收,信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。 停車場車位ZigBee網(wǎng)絡的構成 ZigBee網(wǎng)絡設備類型ZigBee定義了兩種物理設備類型:全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD (Reduced Function Device)。一般來說,FFD支持任何拓撲結構,可以充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Network Coordi2nator),能和任何設備通信。RFD通常只用于星型網(wǎng)絡拓撲結構中,不能完成網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器功能,且只能與FFD通信,兩個RFD之間不能通信。但它們的內(nèi)部電路比FFD少,只有很少或沒有消耗能量的內(nèi)存,因此實現(xiàn)相對簡單,也更利于節(jié)能。 ZigBee網(wǎng)絡設備角色在網(wǎng)絡層中,ZigBee定義了3種角色:第1個是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,負責網(wǎng)絡的建立,以及網(wǎng)絡位置的分配。第2個是路由器,主要負責找尋、建立以及修復信息包的路由路徑,并負責轉送信息包。第3個是終端裝置,只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡,可以收發(fā)信息,但不能轉發(fā)信息,不具備路由功能。通常,網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和路由器由全功能裝置(FFD)實現(xiàn),而終端裝置由簡化功能裝置(RFD)實現(xiàn)。在組網(wǎng)方式上,ZigBee主要采用圖2所示的3種組網(wǎng)方式:其一為主從結構的星型網(wǎng),它需要一個能負責管理和維護網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和不超過65535個從屬裝置。其二為簇狀形網(wǎng),它可以是擴展的單個星型網(wǎng)或互連多個星型網(wǎng)絡。其三為網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh),網(wǎng)絡中的每一個FFD同時可作為路由器,根據(jù)AD hoc網(wǎng)絡路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑。圖2　ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構 ZigBee網(wǎng)絡的形成一個ZigBee網(wǎng)絡的形成過程是通過協(xié)調(diào)器加電后先組建網(wǎng)絡并允許設備加入,然后終端設備節(jié)點自動加入網(wǎng)絡,并自動形成父子關系,終端設備的網(wǎng)絡地址由協(xié)調(diào)器按照一定的地址分配算法統(tǒng)一分配,為增強系統(tǒng)的監(jiān)控和處理功能,將協(xié)調(diào)器與PC機相接,并通過RS232接口訪問并控制所有終端設備節(jié)點的配置、數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。協(xié)調(diào)器必須由FFD擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器并進行掃描搜索,發(fā)現(xiàn)一個未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡,再讓其他的FFD或是RFD加入這個網(wǎng)絡。事實上,人們可根據(jù)裝置在網(wǎng)絡中的角色和功能,預先對其編制好程序。如協(xié)調(diào)器的功能是通過掃描搜索,發(fā)現(xiàn)一個未用的信道來組建一個網(wǎng)絡。路由器的功能是通過掃描搜索,發(fā)現(xiàn)一個激活的信道并將其連接,然后允許其他裝置連接。而終端裝置的功能總是試圖連接到一個已存在的網(wǎng)絡中。ZigBee設備支持兩種地址類型:一種是64位IEEE地址,另一種是16位網(wǎng)址。64位地址在所有ZigBee設備之中是唯一,其中包含一個由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定組織識別符 (OU I)。當設備加入ZigBee個域網(wǎng)時,它可以從允許其加入的各設備上獲取16位網(wǎng)址。該網(wǎng)址在各個域網(wǎng)內(nèi)被規(guī)定為唯一,該網(wǎng)址用于數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由。用于路由數(shù)據(jù)包的路由表存放著各個目標設備和下一跳設備的網(wǎng)絡地址。因此各個域網(wǎng)的各設備都必須有明確且唯一的網(wǎng)絡地址,以保證數(shù)據(jù)能到達正確的設備。 ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構地下停車場車位布置規(guī)劃如圖3所示 圖3　停車場布置圖整個ZigBee網(wǎng)絡采用Mesh拓撲結構,在每個車位處安裝終端設備RFD采集車位狀態(tài)信息,在關鍵位置布置路由器FFD保障網(wǎng)絡的可靠性,在管理站處安裝網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,進行車位狀態(tài)數(shù)據(jù)信息的匯總,協(xié)調(diào)器通過RS232接口連接上位機。協(xié)調(diào)器啟動網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息。它還能提供路由消息、安全管理和其它服務。路由器擴展網(wǎng)絡覆蓋面,在障礙周圍動態(tài)路由,并且提供備份路由以防網(wǎng)絡擁擠和設備失敗。它們可以聯(lián)系到協(xié)調(diào)器和其它路由器,并且支持終端節(jié)點RFD與它連接。終端節(jié)點不能傳輸消息,也不能連接其它子節(jié)點,它的主要任務是發(fā)送與接收消息。網(wǎng)狀拓撲結構,也被稱為點到點,是由互聯(lián)的路由器和終端設備組成的一個網(wǎng)狀結構。每個路由器通常至少通過兩個路徑來連接,并且可以為它的鄰居轉發(fā)信息。一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡包含一個單一的協(xié)調(diào)器,以及多個路由器和終端設備。網(wǎng)狀拓撲結構支持“多跳”通訊,這些數(shù)據(jù)通過跳躍從一個設備到另一個設備,使用最可靠的通訊聯(lián)系和最符合成本效益的路徑,直到到達它的目的地。這種多跳能力也幫助提供容錯功能,如果一臺設備失敗或經(jīng)歷沖突,該網(wǎng)絡可以使用剩下的設備重新路由它自己。網(wǎng)狀結構的優(yōu)點:該拓撲結構具有高可靠性和穩(wěn)定性。任何獨立路由器可能變得不可用,替換路由可以被發(fā)現(xiàn)和使用。利用中間設備來轉發(fā)數(shù)據(jù),即網(wǎng)絡范圍可以被明顯增加,使網(wǎng)狀網(wǎng)絡可高度擴展。僅僅是通過添加更多的路由器到網(wǎng)絡中,可以消除弱信號和死區(qū)。 本章小結本章主要介紹了基于ZigBee網(wǎng)絡的設計，講解了基于ZigBee的網(wǎng)絡協(xié)議棧、停車場的網(wǎng)絡拓撲結構以及ZigBee的網(wǎng)絡形成，這個就是將無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)連接在了一起，讓測試范圍內(nèi)的節(jié)點通過基站（Sink節(jié)點），再由基站通過ZigBee網(wǎng)絡傳送到控制中心，讓觀察者了解停車場的停車狀況。還介紹了利用ZigBee的網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結構，這樣就能防止一個節(jié)點損壞而導致整個系統(tǒng)癱瘓的情況。4 主要技術和系統(tǒng)特點無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)主要技術在于網(wǎng)絡系統(tǒng)的規(guī)劃，對于不同的環(huán)境采用不同的網(wǎng)絡拓撲結構，對于一個好的網(wǎng)絡系統(tǒng)結構來說是非常重要的。如對于沙漠來說，就要通過蟻群網(wǎng)絡結構，在測試區(qū)域通過空降各個測試節(jié)點，通過無線通信進行節(jié)點匯聚，最后傳送到終端系統(tǒng)。正如大家所知，對于沙漠的溫度，濕度進行研究，不能逐一地放置節(jié)點傳感器，只能采用蟻群網(wǎng)絡拓撲結構。而對于地下停車場來言，節(jié)約成本，規(guī)劃網(wǎng)絡結構則相當重要，所以采用網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結構，這樣能更精確地定位停車場的停車狀況。 硬件系統(tǒng)主要技術和參數(shù) 傳感器技術和參數(shù)MTS510CA傳感器在停車場主要靠震動傳感，它的轉換速率為400*103次