英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于Arduino平台和Xbee模块的无线传感器网络的一项实验研究
Hema Kumbhar教授
Department of Computer Engineering Padmabhooshan Vasantdada Patil Institute of Technology, Pune,India
kumbhar.hema344@gmail.com
摘要-无线网络由无线节点之间相互通信组成。无线传感器网络（WSN）是一种特殊类型的自组织网络，将感应、处理和通信集成在小型电池供电的微粒中。 这些传感器节点在全局感测任务上相互协作，并将所需数据传送到一个或多个集线器中。 本文介绍了利用Arduino和Xbee模块创建无线传感器网络的实验。本研究将构建一个适用于所有传感器网络的模型。 这是创建一个设置，它可以放置在各种位置读取温度值，形成廉价的温度传感器，并和网状网络连接以收集输入流并发送到基站。
关键字：WSN, Arduino, Xbee 模块, 温度传感器
一、引言
无线传感器网络正在快速推进技术发展，这是遥感和数据监控领域开放的机会[1]。无线传感器网络由远程定位的小型传感器组成，通过无线电通信形成多跳网络。每个网络由传感器节点基站和汇聚节点组成。基站从传感器节点收集数据并转发到汇聚节点。WSN应用于许多应用中，因为它具有小型廉价传感器节点的特性，如森林火灾探测，智能建筑系统，军事应用，医疗保健应用等环境监测[1][2]。
电子和通信领域的最新进展加快了微电池使能传感器节点的发展。这些传感器节点被随机部署以用于感测环境。多年来，无线传感器网络中最重要的问题是开发一种最大化网络使用寿命的路由协议。传感器网络中的每个节点在完全消耗其能量后变得无用，因为它的功率完全取决于嵌入式电池[3]。
在我们的实际设置中，我们将会有路由器协调器和两个传感器节点。具有温度传感器的传感器节点部署在空间分布的位置。每个传感器的温度信息被转发到路由器。路由器连接到无线电协调器，其中可以收集所有数据。传感器节点基于Arduino平台。Arduino是一款灵活且易于使用的硬件和软件的开源电子原型平台[4]。
本文的其余部分组织如下，在第二部分我们详细描述了系统设计。第三部分将介绍硬件规格。随后使用软件。第五节将介绍如何准备基本配置。
二、 网络设计
对于这个实验研究，我们提出网络基于具有网格拓扑的Arduino开发平台。 提出的网络的设置如图1所示。我们将把它当作一个静态网络。 传感器节点1和传感器节点2将感测温度值并将该信息发送到无线电协调器。 协调器节点是网络中非常重要和强大的节点，如汇聚节点，收集所有传输的数据。 路由器是中间设备，用于中继/转发数据包。 传感器节点是简单的终端设计，经常睡眠以节省能源。
图1、系统设计
三、硬件规格
演示需要一些基本组件，如Arduino Uno板，Xbee模块，Xbee USB板，温度传感器LM 35。
A．Arduino Uno板
Arduino是基于简单输入输出板的开源微控制器系统。Arduino通常用于创建原型以及开发独立的交互式对象[5]，Arduino具有易于学习和使用灵活、可靠的特性。它们被广泛用于无线传感器网络中作为便携式设备[6]。Arduino有不同的版本，如Arduino Uno，Arduino R1，Arduino R2，Arduino Duemilanove [5]等。图2显示了Arduino Uno。
图2、Arduino Uno板
有许多传感器和执行器与Arduino合作。常见的传感器如温度，空气污染，灯光，GPS模块，声音和执行器，如LED，扬声器和数字/模拟输出。
B、XBee收音机
在WSN中，每个节点都进行无线通信，Xbee基本上用于这个目的。许多人确实相信ZigBee和Xbee是一样的。但这不是真的，XBee是兼容Zigbee的硬件[5]。
ZigBee是用于低功耗，低吞吐量，低成本无线网状网络应用的标准通信协议，建立在IEEE 802.15.4之上[8]。XBee是支持各种通信协议的无线电品牌，包括Zig -Bee，802.15.4和WiFi。XBee无线电物理硬件有以下两个基本品种[5]。
1. XBee系列 硬件1
这些无线电使用由Free Scale制造的微芯片以提供简单的基于标准的点对点通信，以及网状网络的专有实现。
图3、XBee 1系列
2. XBee系列 硬件2
第2系列使用Ember Networks的微芯片，可实现多种不同类型的基于标准的ZigBee网状网络。
图4、XBee 2系列
1系列和2系列无线电都有两种不同的传输功率，普通型和普通型都称为XBee。XBee-PRO收音机具有更大的功率，更大更昂贵。
C、面包板
无焊锡面板板提供了一个简单的测试台来连接电子线路，而不用担心电气危险。它们包括一个充满小孔的塑料外壳。潜在于面包板孔下方的金属夹可提供夹持和连接部件。每个金属夹被称为总线，连接在同一总线上的所有连接都是电连接在一起的[6]。
D、Xbee USB Explorer板
所有XBee收音机都有20个连接引脚，每个间距相隔2mm。 由于XBee上的针脚与面包板上的孔分开不同。针脚紧密的间距有助于保持收音机非常小，但不允许它们放入面包板[6]。
图5所示的Explorer板用于将Xbees连接到面包板，然后连接到计算机的USB端口。 连接到Explorer板的Xbee如图6所示。 请注意，当Xbee收音机连接到Explorer板时，引脚功能发生变化[6]。
图5、Xbee Explorer板
图5、接入Xbee收音机的Explorer板
四、软件规格
A、终端软件配置Xbees
每个XBee收音机都有一个运行可配置程序的微控制器，称为固件。必须手动下载XBee的固件[9]。这个固件执行必要的信息处理、通信、安全和效用函数[6]。
此固件可更改不同的设置，如：本地地址，安全设置，目标地址，并读取连接的模拟传感器。更改或升级此固件的官方方式是通过称为X-CTU的程序，可以从Digi网站免费下载[9]。X-CTU程序是仅在Windows上运行的XBee无线电的官方配置程序。X-CTU最初用于将正确的固件加载到XBee收音机上。X-CTU的屏幕截图如图7所示。
图7、X-CTU的屏幕截图
其他终端程序也可以像CoolTerm、超终端、TeraTerm、ZTerm。
1、Arduino IDE
Arduino使用开源应用程序进行编程，该应用程序在名为IDE的计算机上运行，并可从Arduino网站的软件区域免费下载[7]。Arduino语言基于C / C 。该IDE简单地将脚本转换为C语言，并使用avr-gcc进行编译，这使得微控制器可以理解[6]。参见图8。
图8、Arduino IDE
五、准备基本配置
本节将介绍如何使用X-CTU和IDE分别配置Xbee和Arduino[6]。
A、配置Xbee进行基本通信
我们正在这项研究中使用Xbee系列2。 每个Xbee在收音机背面都印有64位地址。 地址的起始部分由Digi（0013A200）分配，下半部分是无线电的地址。
1、在Xbee Explorer板上插入Xbee系列2，然后插入计算机的一个USB端口。
2、启动X-CTU，切换到调制解调器配置选项卡，将弹出窗口，显示各种有用信息。
3、应自动检测3个Xbee，并列出型号类型需要XB24-ZB。 如果没有从网站下载最新的配置[9]，那么点击下载新版本，使用文件选项安装您下载的每个文件。 然后点击阅读按钮。 现在X-CTU应该识别你的Xbee。
4、在功能集下，显示可以为此类无线电装载的不同固件的列表。 您可以根据网络中的调制解调器的功能选择ZigBee协调器AT，ZigBee路由器AT等。 示例屏幕截图如图9所示。
5、通信设置会在表1中给出。
6、还有其他重要参数需要改变，如PANID，目的地址高，目的地址低。
7、单击“写入”按钮编程单选按钮。
8、可以使用AT命令查看无线电地址。
图9、X-CTU与Xbee的屏幕截图
表1：默认X-CTU通信设置
|
参数 |
值 |
|
波特9600 |
数据8位 |
|
奇偶位 |
停止位1 |
|
流量控制 |
无 |
B、配置Arduino
要连接到Arduino板，您必须使用USB A到B型电缆将其插入计算机。启动IDE，选择COM端口。 接下来，从Board菜单中选择Arduino板的型号。选择COM端口后，就可以进行一些编程[6]。
以下简单的代码将打开按在Arduino板上的LED灯，等待片刻，然后关闭它，等待片刻。
int ledPin = 13;
void setup()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(ledPin, HIGH);
delay(1000);
digitalWrite(ledPin, LOW);
delay(1000);
}
C、用Xbee配置Arduino
面包板和探索板是将Arduino连接到xbee的简单方法。直接无线电无法连接到Arduino，因为xbee中的引脚的间隔不同，如第3.4节所述。在探险板上的2台Xbee收音机和Arduino的探险板上只需要四个针脚。请注意，无线电的引脚功能如图10所示。
图10、Explorer板的引脚功能
连接电缆，如表2所示。X-CTU配置如表1所示，布局如图11所示。
表2：用于连接Arduino和Xbee的引脚连接
|
Xbee |
Arduino |
|
VCC or 3.3 V |
3.3 V |
|
TX or DOUT |
RX or 0 |
|
RX or DIN |
TX or 1 |
|
GND |
GND |
图11、Arduino和Xbee之间的连接布局
一旦连接，Arduino使用串行命令通过XBee发送信息，并读取所收到的任何信息。
六、结论
无线传感器网络是一种通信网络，其中部署在不同位置的传感器节点感知数据并发送给基站。 本文提出了使用Arduino开发板，Xbee模块和温度传感器的使用Mesh拓扑与协调器节点，路由器和终端设备创建WSN的实际实现。
连接到Arduino板的Xbee能够感测数据，并将数据无线发送到协调无线电。 使用X-CTU和Arduino IDE，我们可以同步Xbee和Arduino。
参考文献
[1] I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, E. Cayirci,”Wireless sensor networks: a survey”, Computer Networks 38 (2002),pp 393–422
[2] A Roy and N Sarma, ”Energy Saving in MAC Layer of Wireless Sensor Networks: a Survey ”, National Workshop in Design and Analysis of Algorithm (NWDAA)”, Tezpur University, India, 2010”.
[3] L. Malathi and R. K. Gnanamurthy, ”Cluster Based Hierarchical Routing Protocol for WSN with Energy Efficiency ”, International Journal of Machine Learning and Computing , Vol.4 No.5, October 2014.
lt;
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[136809]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
