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摘要：

物聯網技術已成為國際備受關注的前沿熱點研究領域，ZigBee技術具有低功耗、高度可擴展性、低成本、易組網等特點，已成為短距離物聯網技術發展的一條主線。構建了一個基于ZigBee無線網絡的物聯網實驗平臺，設計協調器節點、路由節點和終端節點，移植并修改Miracl大數運算庫，成功實現RC5和AES等數據加密算法，實現數據的可靠性傳輸。最后，設計了上位機監控軟件，在接收到數據幀后能夠進行解析、存儲等操作，實時地查看網絡節點的運行狀態和較直觀地顯示監測區域的采集信息。

關鍵詞：

物聯網；CortexM3；ZigBee協議；傳感器；監控軟件

隨著科技進步與網絡的發展，物聯網技術已成為全球關注的焦點并應用于多個領域，這為實現物聯網的數據共享和安全等服務提供了技術保障。本文設計構建了一個基于ZigBee無線網絡的物聯網實驗平臺，深入研究物聯網的數據采集與信息傳輸技術。

1網絡節點的軟硬件設計

在搭建物聯網實驗平臺時，根據網絡節點在網絡中的任務特點設計了三種類型的網絡節點，即終端節點（又稱傳感器節點）、路由節點和協調器節點。三種節點相互通信協作，共同完成數據的信息化處理。

1.1網絡節點的結構設計網絡節點一般由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、能量供應等模塊構成（路由節點和協調節點可沒有傳感器模塊）。該硬件平臺的網絡節點采用TI公司CortexM3核的LM3S811，LM3S1138和LM3S9B96作為節點微控制器。無線收發模塊是由CC2420芯片和相應的外部元器件封裝而成。

1.2網絡節點的軟件設計網絡節點的軟件設計框架如圖1所示。軟件底層采用的是μC/OSⅡ操作系統。節點軟件的操作系統之上為ZigBee協議棧，通過這個協議棧實現樹簇的網絡結構。在網絡節點的軟件設計中，整個工程創建了多個用戶文件夾，分類存儲程序源文件。其中μC/OSⅡ的文件夾中存放的是μC/OSⅡ操作系統源碼相關文件，Stack文件夾中是有關MsstatePAN協議棧的源碼等相關文件，Target文件夾中是程序目標代碼，Middleware文件夾中是一些中間件的代碼，主要包括微控制器外部接口的代碼實現等。LM3SDriverLib是TI公司提供的針對CortexM3系列微控制器的驅動庫[1]。

1.3通信協議幀設計在建設過程中，為了方便其他設備對信息的識別和統一整個監控網絡的數據幀的格式，自定義用戶數據幀格式，具體數據位定義如圖2所示。需要注意的是，接口數據是以ASCII碼形式傳送的，一個字節型的整數需要兩個ASCII碼表示，因此以上數據都要轉換成字符串的形式，按照用戶自定義的數據幀與上位機PC進行數據通信。在組網過程中，根據用戶數據幀協議的約定，定義了3個特殊的數據幀提供給各節點，用于向上位機匯報組網狀態。

2ZigBee無線網絡的信息傳輸

ZigBee是一種面向自動控制的低傳輸率、低功耗、低價格、近距離的雙向無線網絡通信技術，基礎是IEEE802.15.4，其三個工作頻段2.4GHz，915MHz和868MHz是完全免費開放的。ZigBee的傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環境，網絡節點間的傳輸距離可以從標準的75m擴展到幾百米，甚至于幾千米。

2.1ZigBee網絡的技術特點與WiFi，Bluetooth，GPRS/GSM相比，ZigBee網絡具有成本低、體積較小、功耗低、易于擴展、感應性強等特點，適用于控制節點較多、傳輸量不大、覆蓋面相對較廣以及造價成本比較低的無線網絡應用系統中[23]。

2.2ZigBee網絡節點的拓撲結構根據ZigBee網絡中設備的功能不同，IEEE802.15.4把ZigBee網絡中的設備分為全功能設備（FullFunctionDevice，FFD）和精簡功能設備（ReducedFunctionDevice，RFD）。根據設備在網絡中承擔的任務不同，ZigBee網絡中的節點分為三種類型，即協調器節點ZC（ZigBeeCoordinator），路由節點ZR（ZigBeeRouter）和終端節點ZE（ZigBeeEndDevice）[4]。ZigBee以一個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀、網狀等網絡拓撲結構。

2.3ZigBee協議棧框架完整的ZigBee協議棧由應用層、應用支持層、網絡層、數據鏈路、媒體接入層（MAC）和物理層（PHY）組成，協議棧中的每層都含有特定的功能和服務。中間層都為其上一層提供一系列特定的服務，其中每層的數據實體提供相對應的數據傳輸服務，管理實體負責其他配套服務。每層的服務實體通過相應接口與上一層進行數據交換，為上層提供數據傳輸服務。

2.4MsstatePAN協議棧的移植采用硬件平臺的收發功能主要通過CortexM3系列微控制器控制CC2420模塊實現，選用原PIC微控制器+CC2420的協議棧為模板。在對MsstatePAN協議棧的結構與工作機制大致了解的基礎上，修改硬件平臺有關驅動，順利在Keil和IAR的開發平臺上將MsstatePAN協議棧移植到了LM3S811，LM3S1138，LM3S4749，LM3S9B96等同系列目標開發板上。LM3S811/9B96微控制器使用串口進行通信，需充分利用其提供的UART驅動函數，在程序中只需對UART硬件資源進行簡單配置和初始化，就能實現數據的傳輸。

3物聯網的前端數據采集

本節主要介紹DS18B20溫度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、MMA7260三維加速度傳感器、TSL230光頻轉換器和RFID等模塊。3.1DS18B20溫度傳感器DS18B20是美國Dallas半導體公司推出的一款支持“單總線”控制接口的溫度傳感器[5]。該傳感器溫度采集轉化后得到的12位數據存儲內部的兩個8位高速暫存器RAM，RAM中的第一個字節存放測量溫度數據的低8位，第二個字節存放數據的高8位。利用DS18B20特有的控制命令集進行操作，將數據正確讀入到微控制器，命令集分為ROM操作命令集和內存操作命令集。設計中，基于TI的LM3S811/1138微控制器采用C語言程序來實現對DS18B20的操作，芯片采用默認的12位采集數據模式，轉換的時間一般低于750μs。實踐表明，單總線方式的溫度傳感器DS18B20具有控制簡單、易于擴展和成本低等優點。同時，利用微控制器讀取傳感器數據的程序相對比較簡單，讀取的溫度值也相對比較精確。

3.2SHT11溫濕度傳感器SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器內部的測濕元件、測溫元件將監控區域的濕度和溫度轉換成相對應的電信號，同時將產生的電信號輸入到信號放大器中，然后將放大的模擬電信號輸送至內部的A/D轉換器，轉化數據存儲在內部的寄存器中。傳感器經過二根I/O數據線與微控制器進行通信，并將轉換數據發送出去。傳感器通過兩線串行接口和微控制器LM3S811/1138相連接，采用普通I/O與傳感器模塊相連，模擬SHT11芯片能識別的時鐘信號，并通過DATA數據線直接獲取采集數據，無需額外A/D轉換電路，大大簡化了傳感器和微控制器之間的硬件連接。

3.3TSL230光頻轉換模塊TSL230使用硅光二極管測量光照強度，具有響應快、穩定性好等特點，廣泛應用于照相機曝光控制、舞臺燈光檢測、醫學光照診斷等領域。內部由光強采集、光/頻轉換、頻率信號處理三部分組成，外部由8引腳PDIP封裝。

3.4MMA7260三維加速度傳感器采用LQMMA7260模塊檢測物體的運動狀態。可以通過其本身提供的休眠模式來降低芯片功耗。具體方法為待傳感器數據采集完畢后，通過SLEEP引腳來控制MMA7260是否進入休眠，當SLEEP引腳接到低電平信號時，傳感器進入休眠模式，此時電流為3μA；當SLEEP接到高電平信號時，傳感器便恢復工作。采用LQMMA7260模塊與LM3S811微控制器進行連接，模塊的三路電壓分別與微控制器的A/D轉換輸入引腳相連，并采用ADC多通道采樣的方法對三路模擬數據進行模/數轉換。

3.5校園一卡通的信息采集設計一款讀卡器可以快速準確地讀取校園一卡通編號。讀卡模塊采用AKRFMOD05CD芯片，讀卡器模塊將采集的卡片信息按照Wiegand數據協議標準傳輸，通過WD0和WD1引腳進行輸出。微控制器LM3S1138通過兩個I/O引腳對數據進行接收，其接口電路如圖3所示。讀卡器模塊的數據輸出引腳WD0和微控制器的PB0相連，WD1和PB1相連。程序開始后，初始化PB0和PB1兩引腳為輸入方式，并設置為下降沿的中斷觸發，當兩根線上有低電平出現時，進入相應的中斷服務程序中接收Wiegan數據。在中斷服務程序中判斷觸發中斷的引腳編號和傳輸數據，同時將數據存儲在用戶開辟的數據緩沖區中。使用數字式示波器對讀卡器的DATA0和DATA1線在協議位給出高電平時的波形圖進行截取和分析，讀卡器模塊選擇Wiegand26協議，將一張校園卡放置在讀卡器上，其中上側為WD0輸出信號線波形圖，下側波形為WD1輸出信號線波形圖，與韋根協議理論波形對比，得出該卡的Wiegand26數據為“00000110100010010100110111”，數據波形與微控制器采集的數據保持一致。

4信息的加密傳輸

數據加密的本質就是對明文（文件或數據）按照預定的方法進行特殊處理，使其變為無法進行直接可讀的一段代碼或亂碼數據。針對加入網絡的節點，系統需要對申請入網的節點進行一個比較嚴格的入網認證。在網絡的數據傳輸過程中，傳輸數據需要經過高強度密碼算法進行加密處理，防止私有數據的竊聽，保證數據的可靠性傳輸[6]。

4.1信息通信的數據加密一般數據加密可通過無線通信網絡中的三個層次來實現，分別為鏈路加密、節點加密和端到端加密。鏈路加密要求網絡節點之間的數據通信中的數據必須是不可讀數據，包括路由信息、目的地址等數據。節點加密算法的操作方式與鏈路加密大體一致，在ZigBee通信鏈路上為傳輸的數據幀提供安全保障。在整個ZigBee網絡數據通信過程中，端到端加密又稱脫線加密或包加密，用戶可以自行設計一些加密算法對數據幀中的負載數據進行加密，只有當目的網絡節點接收數據幀時，才通知本節點的上次去解密數據幀。

4.2常用的無線傳感網數據加密算法Miracl庫是ShamusSoftwareLtd開發的一個基于大數運算的函數庫，是編寫密碼安全方面的程序所必備的一個算法模板庫，是當前應用比較廣泛的基于公鑰加密算法實現的大數庫之一。RC5是由RSA公司的Rivest于1994年提出的一種新型的分組加密算法。結合TI公司的ARMCortexM3系列微控制器的特點，由于該類型微控制器的存儲字長為32位，特設置該RC5算法的三個參數可定義為：字長為32位，加密輪數為12輪，密鑰長度為16B，可用符號表示為RC532/12/16。在加密系統中，首先創建密鑰組，在創建完密鑰組后，開始對明文數據進行加密。針對AES加解密算法，利用Miracl開源庫中的相關函數，編寫適應于微控制器的特定程序。其中節點進行AES加解密數據流程如圖4所示。

5上位機監控軟件開發

5.1監控軟件總體設計該監控軟件采用VisualStudio系統平臺進行開發，利用現代計算機技術、數據通信技術、圖形學等技術，將分布于監控區域的各類設備的運行參數和采集信息以文字、圖形、圖像等形式展示給用戶，實現監控軟件的可視化控制，實現對遠程ZigBee網絡節點設備的自動化控制。本系統監控軟件的框架設計模型如圖5所示。

5.2監控軟件與協調器節點的數據通信采用標準串口和USB兩種通信模式實現微控制器與監控軟件的數據通信。為了較好地完成串口通信任務，LM3S811/1138/9B96微控制器可以利用TI公司提供的驅動庫配置UART資源，然后通過調用UARTCharPut和UARTCharGet等函數來實現下位機串口數據的收發。上位機監控軟件利用多線程串口編程工具CserialPort類進行開發，CserialPort是由RemonSpekeijse編寫的免費串口類，其內部函數完全透明，并允許對相關類的內容進行改造、補充和完善等[7]，其內部重要函數如表1所示。本文對CserialPort進行修改，以滿足系統的整體需求。程序設計中需要創建一個監視線程負責監視可用串口產生的各種信息。讀/寫串口操作需要WaitCommEvent和WaitForMultipleObjects等函數配合監視線程共同完成。一個典型的USB應用系統由USB設備、USB主機和USB電纜組成。在本課題中，協調器節點是USB設備，USB主機則是具有USB接口的計算機。上位機監控軟件的USB數據通信需要調用TI公司提供的動態鏈接庫LMUSB.dll，程序可以采用顯式鏈接和隱式鏈接兩種方式調用LMUSB.dll動態鏈接庫。在USB接口程序的設計中，首先利用設備管理器查看具有USB硬件資源的協調器節點的PID，VID和GUID等相關信息，然后加載動態鏈接庫LMUSB.dll。程序通過調用InitializeDevice函數初始化協調器節點設備，待初始化成功后，監控軟件創建接收數據線程，線程中調用ReadUSBPacket（）函數去接收協調器節點設備發送的數據幀。在使用完USB設備后，需要通過調用TerminateDevice函數釋放USB設備。待完成數據通信以后，上位機軟件需要創建專門的線程用于接收協調器節點傳輸的數據幀。然后根據自定義的數據幀格式，編寫專門的函數對接收的數據幀進行解析，然后將數據分類存儲在相對應節點設備的結構體中。用戶可以自定義網絡節點數據幀發送周期，監控軟件根據預先設定的周期內是否收到該節點的數據幀去判斷其在網絡中的組網狀態。

5.3繪圖模塊本節中將部分終端節點采集的信息以曲線等形式顯示出來。本軟件選用TeeChartPro作為圖表、圖形控件，它和VisualStudio平臺具有較好的兼容性。它提供了上百種2D和3D圖形風格、40余種數學統計功能以及20余種圖標操作工具等，圖6為添加TeeChart控件類的步驟圖。5.4ZigBee組網功能測試在整個測試過程中，終端節點負責采集檢測區域的數據，并按照自定義的數據幀格式進行封裝，然后發送至協調器節點；協調器節點主要負責創建和維護網絡，并將收集的幀發送至上位機監控軟件。監控軟件能夠對各個網絡節點的組網狀態進行有效判斷，路由節點和終端節點可以根據實際需要定時地向協調器節點發出成功組網狀態標志數據幀。本節選用LM3S9B96作為微控制器的網絡節點，或者整個測試網絡的協調器節點，以LM3S811/1138作為微控制器的網絡節點，終端節點或者路由節點。對協調器節點建立網絡的過程、終端節點加入網絡的過程、樹型拓撲網絡系統進行了檢測，選擇樹型拓撲網絡系統測試進行詳細說明。當協調器節點組建網絡，把編寫好的路由節點程序下載到編號為一號和二號的路由器節點上，然后逐個按下開發板上的Reset按鍵，等待其加入網絡。如果路由器節點成功組網后，并向協調器節點發送路由器成功組網標志數據幀，監控軟件接收到該數據幀后，該路由節點設備相對應的組網圖標為綠色（紅色表示未加入網絡）；然后依次上電復位編號為1~5的傳感器采集節點，待節點成功加入網絡后，監控軟件根據相關數據形成檢測ZigBee網絡拓撲圖。根據形成的網絡拓撲圖可知，共計有1個協調器節點、2個路由器節點、5個終端節點共同組成此時的ZigBee監控網絡。

6結論

本設計移植精簡版ZigBee協議棧到TICortexM3系列微控制器上，實現了組網功能。成功移植μC/OSⅡ操作系統，使協調器上的任務運行于μC/OSⅡ之上，為以后協調器節點的功能擴展奠定軟件基礎。對基于ZigBee無線網絡的短距離物聯網進行了進一步的研究，編寫上位機監控軟件實時監控ZigBee網絡。監控軟件通過串口和USB通信接口接收用戶自定義的數據幀，然后解析與分類存儲相關數據，并及時更新網絡節點運行狀態與節點采集數據等信息。

作者：賈偉 單位：內江師范學院 計算機科學學院