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论文方法写作-基于ZigBee的4G移动通信校园监控网络

2021-04-24 12:17:33

  为有效对校园内图书馆、实训室等建筑进行实时监控,使学校、学生的工作生活正常进行,提出了一种基于ZigBee技术的移动校园监控网络系统。该系统使用无线传感器技术即刻接收观察处图片信息,并将4G移动通信与校园网有效融合,实现远程监控,对校园能耗的利用、事故的发生补救起到有效的决策依据。

  2.1无线传感器技术

  无线传感器技术是一项网络设置灵活、设置简单、连接方式多样的网络技术。无线传感器网络的组成并不复杂,它是由许多个网络节点连接所构成,其中这些网络节点又可分为主节点和从节点。主节点的作用是控制该网络中的其他从节点,起到了一种中央枢纽作用。从节点相比较于主节点来说,在数量上要远远多于主节点,这是由于它们主要的作用是从校园内各个地方收集信息,主节点则作为它的上级节点通过接收从节点采集到的信息,并向从节点传输数据信号。在该项技术中,ZigBee技术起到了关键性的作用,它是作为无线传感器与中央控制系统结合的桥梁,中心节点则与校园服务器连接。

  ZigBee技术是一种基于EEE 820.15.4标准的无线传感器技术,是一种功率消耗低、可靠性能高的无线传输网络。这项技术使用非常节省能源,通信传输距离可以达到几米甚至几十米的距离。该项技术可以由各种形状构成网络层,例如星型、树型、网状拓扑。值得一提的是星型拓扑构成的网络层中,将会使用到ZigBee主节点,这是由于ZigBee技术在功能上要远高于其技术,例如,蓝牙技术在反应时间上要远高于ZigBee技术。

  2.2 4G移动通信网络概述

  4G移动通信技术的面市,无疑给人们的生活带来了很大影响,也为建设校园网络提供了先进的技术支持。相比较于传统通信,该项技术的传输速率是无可比拟的,就连3G移动通信也只能达到它的五十分之一。经过长时间的研究,人们在3G移动通信的基础上,大幅度的提高了其信道频谱,覆盖面也在原来的基础上得以提高,灵活性也得到大幅度提高,然而相应的资费并没有增加,这就使得该项技术发展前景更加广泛。4G移动通信技术的发展前景很广阔,它不仅仅局限于电话的使用,在智能终端领域也有广泛的发展空间。在现在社会不断发展的建设中,智能终端有可能会称为任何一样东西,一把钥匙、一个手环甚至是一本书都可以使它们获得通信和控制功能。在数字化校园网络监控系统中,时时刻刻都会有视频信息和音频信息传输,这些都是作为将来有可能发生的突发情况依据进行分析,这样才能给学校管理提供保障。单单依靠ZigBee技术构成的校园网络,会有很多的局限性,所以需要引用一些其它技术和设备。

  2.3 ZigBee技术概述

  ZigBee网络采用无线ad hoc网络技术,该项技术采用相似与于蜜蜂的通信。网络所有节点之间的相互通信自动建立许多个跳的形式的网络。网络节点是通过ZigBee协议进行通信。相比较传统无线网络通信,主要优点如下:

  (1)网络稳定性好。在网络中不管你怎样进行删除和添加节点,其他的节点可以迅速的找到解决方法来替代中继信息。可以很好的进行自我修复。

  (2)成本低。由于技术的不断创新,许多企业对ZigBee技术上投入许多精力,这样就使得行业竞争强烈,近年来。蓝牙模块的成本不断增加,相比较而言应用于主机端的芯片,优势大大降低;在中国某些地区,CC2XX0等芯片售价在20到30不等

  (3)功耗低。ZigBee技术设备所需要的功率非常低。在应用中,只需要一节1.5v的干电池,使用寿命就能达到近两年,这无疑成为了ZigBee技术又一大优势。

  (4)网络容量大。在ZigBee技术设备中,每一个设备可以和其他将近254个设备相连接,而加入路由器的ZigBee网络可以容纳近65000个节点网络

  (5)数据传输速率低。在ZigBee技术中,数据传输速率在10kb/s到250kb/s。

  (6)工作频段灵活。该网络适用于全世界各个频段。

  2.4 ZigBee网络核心设备概述

  ZigBee网络由三个核心设备组成,分别是协调器、路由器、终端设备三种。它们ZigBee网络中起到了不同的作用,下面就具体介绍它们的功能:

  (1)ZigBee协调器:它具有储存量大、运算能力强等特点。它的主要作用是进行网络信标的发送、建立并管理一个网络和网络节点、还可以存储节点信息并不断的接收下一结点的信息。在三种设备中功能最齐全。

  (2)ZigBee路由器:再加入网络后,它也可以作为全功能设备,协调器会作为上级设备,给它分配一些十六位地址空间,然后通过路由器继续分配给下级设备,这就使得各个节点接入和离开网络更加方便,使得路由器具有数据转发和路由的功能。

  (3)ZigBee终端设备:相比较于上面两种来说,是一种简化的设备主要功能是与协调器通信,获取网络地址。

  ZigBee协议规范中,我们可以了解到,在组网中,有三种网络拓扑可以选择:星型结构(Star),网状结构(Mesh)和簇树型结构(ClusterTree),图2-1所示。

  图2-1 ZigBee网络拓扑结构图

  在星型结构中,通信功能更加方便,终端设备和路由器可以直接和协调器通信,网路的维护和和操作则由ZigBee协调器负责。而在其它网络结构中,协调器的责任是负责整个网络的初始化和操控,例如集群和网状网络。当需要通过路由器来进行网络扩展时,路由器的功能是进行终端设备信息的转发,但集群结构不同于上述结构,集群结构中各个终端之间进行信息交换只能通过第一级传输给协调器,之后协调器会进行下一步信息发送。

  3校园监控系统概述

  3.1基于ZigBee的校园监控系统设计

  该系统设计的整体是为了实现数字校园网络的主功能,为了获取校园内各个校园设施点的图像信息,通过互联网络与移动通信系统的结合,可以实现远程实时监测。星型拓扑作为该网络结构的整体结构,控制方式科学,当系统不工作时,大多数设备都处于睡眠状态,此时各个电路处于低功率状态。当监测点发生事故时,可以立即恢复工作,在短时间内学校终端就可以获取事故点的图像信息。

  校园监控网络结构由三个部分组成:监测区域:这个领域指的是学校内的一些公共区域,通过管理者提前安装的监控设备进行监控,然后通过无线传感器获取监测信息,让学校管理者可以提前做好应急准备;4G移动网络。该项技术的融合,使得管理者更加方便的进行信息的传送,使得事故发生时可以立刻通知到校园保护工作人员,让校园安全事故扼杀在摇篮中;数字校园网络。主要功能是存储信息,然后进行处理。其具体的系统结构如图3-1所示。

  图3-1系统结构图

  如图3-1所示,我们可以清楚的了解系统的主要结构。传感器节点是系统中数量最多的设备,它的功能是分布在校园内各个公共区域,收集这些地方的实时信息,然后输送给上级设备。而协调器的作用则是为了组建网络系统。终端设备PC负责接收数据然后进行处理并进行处理。这一系统的最大优点就是能适应各种地理环境。不管你生活区域面积大或是小,都可以通过改变传感器的数量来达到自身需求。

  3.2校园监控网功能概述

  为了实现校园网络监控系统的设计,本文对该系统中的主要功能作出以下定义:

  (1)管控中心端(PC):处于该系统的终端,用于接收和处理下级设备传输回来的实时信息,并且可以实时显示出观测点的图像信息,管理人员可以通过PC端控制各个节点,用于维护系统的正常运行。

  (2)协调器:该结构的主要功能是建造和初始化ZigBee无线网络,进行传感器终端管控,在系统中起到了枢纽的作用,不仅要接收下级设备传输的实时信息,还要通过自身功能进行信息打包,最后输送给终端设备。;

  (3)传感器节点:该结构处于系统的最末端,用于校园环境的采集,将采集到的信息通过ZigBee无线网络传输到上一级节点。

  本文设计的系统大部分是获取校园环境中的一些参数,这样就可以通过对环境的变化的监控,从而可以得出结论,估算出可能出现事故的概率。以下是对各种环境参数的介绍:

  (1)温度

  温度对人体来说至关重要,人体对温度的感知也非常敏感。当人体所处环境超过36度以后,之后每增加一度对人体来说,造成的结果都是呈倍数增加的。基于该项研究成果,环境温度可以作为该系统重点研究对象。温度传感器可以通过管理人员设定的频率来收集周围环境温度的变化,然后发送给上级处理器进行处理,最后通过协调器将结果传输给终端PC。这时,前一个管理已经设计好了PC设置。当然为了完成这一流程,需要参数误差小和完整的程序控制系统。本文的。该系统中的校园内各个公共设施都应该配备几个这样的相似节点,这样就可以对校园内各个公共设施进行温度监控,提高温度测量的全面性。

  (2)湿度

  湿度对于人体来说,敏感度并不高,但长时间处于湿度过高或过低的环境中,也会对人体产生危害,在校园内公共设施内,湿度影响的人群将更多,所以通过湿度的变换来预测事故的发生也是一种可行的方案。在该系统中,湿度信息变化由湿度传感器收集,然后由PC端控制,进行信息的处理从而得出结论,让管理者可以实时获得数据进行分析,预防事故的发生。

  (3)亮度

  在该系统中,使用分布在校园内各个观测点的光电传感器可以进行亮度监测。当环境出现亮度异常,光电传感器可以立即捕捉这一信息,然后传输给上级协调器,之后协调器进行分析之后发送给PC端,PC端会对传输的信息进行处理并得出结论,当亮度超过或低于平常值时,管理人员会迅速接收到实时信息,作出应对,对校园安全事故的发生起到很大的作用。

  3.3校园监控网系统设计要求

  校园监控网系统是实现校园监控覆盖的关键系统,拥有许多服务于校园监控的功能。在硬件方面,要求该系统必须要满足以下硬件要求,这样才能保障校园监控正常运行。。

  1、硬件要求

  (1)功能损耗低:由于该系统服务于高校校园监控,而学校内需要监控的区域面积都比较大,所以动用的设备会比较庞大,在功能所耗方面一定要减少损耗。节约资源。

  (2)安全性能高:本系统为校园环境监控系统做采集工作,针对的大多数是校园公共设施,若放生错误,则可导致PC接收到错误信息,从而使管理者作出错误结论。如,温度变化偏高不能及时反馈,就会造成师生发生事故,所以要求系统的安全性能高。

  (3)外观:由于要安装在校园内各个公共设施中,如果外观较大,就会浪费公共区域面积,所以要求设备尽量做到精密美观。

  (4)可扩展:能够根据管理者所处环境的不同,随时增加或减少传感器节点设置。

  2、软件要求

  在软件方面要求程序要模块化设计,这样当系统需要升级时,则只需要修改一处程序,而不用改变其他程序;程序设计要简单明了,数据的传输格式要统一不能出现格式上的错误。

  4软件功能的实现与完善

  4.1主要软件概述

  4.1.1设计理念与过程

  本文设计的网络拓扑中,选择的是树结构,在树结构中,必须要添加路由,但终端节点和协调器之间的距离大于转发协调器和终端节点之间的距离,如果终端之间的距离节点和协调器未收到,则会传回路由器。然而,在该设计中设计数据只能在短距离内传送和接收。所以,软件部本是为了终端设备和协调器专门设计的。终端节点的主要功能是为了采集监测点的温度变化,并进行实时显示,然后管理员捡回接收到实时信息。协调器接收到终端设备传输回来的信息后,会进行分析和处理,之后通过串口传输给主机进行显示。下图介绍了整个过程的流程图:

  图4-1系统整体流程

  从图中我们可以了解到,终端节点与协调器之间的通信可以有两种方式,当两个节点之间信号很强时,终端节点将直接与协调器进行通信,当两者之间信号减弱时,终端节点则将信号传输给路由器,然后路由器再将信号传输给协调器。

  由TI提供的z-stack协议中,协议栈会将设备所需要的过程做好,而管理者只需要指定好启动身份即可。

  4.1.2协调器的自动组网流程

  该组网协议栈使用的是zstack版本,该协议栈的整体功能有点类似于操作系统。

  协议栈使用C语言实现的,由于C语言的入口都是main函数,因此需要找到main函数。函数内部表明,函数执行了协议栈各层的初始化操作,包括Mac层、网络层、硬件层等各层初始化。语句ZDApp_Init(taskID++)就是用于初始化ZigBee设备对象(ZDD)。

  整个的组网流程图如图4-2所示:

  图4-2协调器组网流程图

  4.2协调器节点软件实现

  协调器节点主要实现ZigBee网络的建立(如图4-2),在软件设计方面,协调器主要功能是要做到接收传输信息,然后进行指令传输,输送给终端设备,也就是PC端。根据模块的功能不同,可以将协调器软件分为下面两大板块:

  (1)ZigBee数据收发模块:

  该模块的协议栈代码是由T1提供的,它通过了802.15.4协议,以下是无线发收函数的程序:

  :void zb_SendDataRequest(

  iveDataIndication(source,command,Ien,pData)}}

  (2)串口通信模块;

  在ZigBee协议栈中,串口通信模块主要功能是实现协调器节点的接口封装,可以用hal _ uart.c和hal _ uart.h的文件来实现。通过串口模块实现节点接口封装后,系统将会形成软件记忆,当下一次操作人员再次使用时,就不用重复上述操作,当遇到需要修改程序时,操作人员也只需在原有的程序上进行修改就可以正常使用了。

  综上所述,我们可以大致了解到协调器软件基本组成和实现,为了更加形象的了解,可以通过下图进一步理解:

  图4-3协调器程序流程图

  4.3传感器节点软件设计

  传感器节点主要是为收集和传输信息,软件设计启动与协调器大致相同,之后将与协调器进行信息传输,加入网络。具体流程如图4-4所示。

  不同的传感器监测的环境也会有不同,本文中涉及到了温度、湿度、与亮度,用于这三种不同环境状态下,所使用到的传感器相应的也会有区别,但相同点是各个传感器获取数据的方式却大致相同,所以本文使用了温度传感器作为代表来进行说明。