ZigBee網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的無線通信及組網(wǎng)研究

楊源涵

一、ZigBee技術特點

無線傳感網(wǎng)絡（WSN, Wireless Sensor Network）的研究起源于20世紀70年代，最早應用于軍事領域，如冷戰(zhàn)時期的聲音監(jiān)測系統(tǒng)（SOSUS，Sound Surveillance System）以及空中預警與控制系統(tǒng)（AWACS，Airborne Warning and Control System）[1]。傳感器節(jié)點之間的點對點傳輸和網(wǎng)絡的分級處理模式構成了早期傳感器網(wǎng)絡的雛形，即是第一代傳感器網(wǎng)絡。隨著科學的不斷發(fā)展，WSN逐漸走出軍事領域，不僅具備了獲取多種信息信號能力，也通過傳感器節(jié)點之間的互相連接，組成了龐大的信息綜合處理的網(wǎng)絡系統(tǒng)。這個集計算機、微電子、傳感器、網(wǎng)絡通信、信號處理等諸多領域于一身的技術體系，在生產(chǎn)生活的各方各面取得了重大的進展，D.Estrain 預見性地指出：WSN是21世紀人類信息研究領域所要面臨的主要挑戰(zhàn)之一[2]。

二、ZigBee 概解

在無線傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹讓邮俏锢韺樱认轮苯优c傳輸介質相連，物理層協(xié)議是各種網(wǎng)絡設備進行互聯(lián)時必須遵循的底層協(xié)議。主要為終端設備傳輸數(shù)據(jù)提供物理通道、承載數(shù)據(jù)傳輸和提供數(shù)據(jù)傳輸服務，具有一定的管理能力并且能進行信道評估、能量監(jiān)測、收發(fā)管理和物理層屬性管理等功能。目前發(fā)展較為成熟的物理層主要有：紅外線、WLAN、Bluetooth、UWB和ZigBee等。

ZigBee是是一種近年來興起的短距離無線通信技術，不僅要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。ZigBee不僅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。 它具有低功耗、低成本、低傳輸速率、近距離、短延時、高容量和高安全等特點。

ZigBee協(xié)議棧中，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；應用匯聚層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、M A C 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）和介質訪問控制子層（MAC）。IEEE802.15.4 的LLC子層與IEEE802.2 的相同，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。IEEE802.15.4 MAC 子層通過SSCS（Service-Specific ConvergenceSublayer）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；物理層采用DSSS （D i r e c tSequence Spread Spectrum，直接序列擴頻）技術，定義了3 種流量等級：當頻率采用2.4 GHz 時，使用16 信道，能夠提供250 kbit/s 的傳輸速率；當采用915 MHz 時，使用10 信道，能夠提供40 kbit/s的傳輸速率；當采用868 MHz 時，使用單信道，能夠提供20 kbit/s的傳輸速率。

三、ZigBee組網(wǎng)技術

ZigBee網(wǎng)絡可以實現(xiàn)下面三種網(wǎng)絡拓撲結構：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)[3]。根據(jù)其節(jié)點設備所處的角色定義了三種網(wǎng)絡節(jié)點類型：協(xié)調器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設備（End Device）[4]。其中協(xié)調器和路由器必須是FFD。協(xié)調器負責建立和維護網(wǎng)絡，在每個網(wǎng)絡中有且只有一個；路由器是中繼節(jié)點，可以選錄并發(fā)數(shù)據(jù)。終端設備可以是FFD，也可能是RFD，其功能比較單一，只負責發(fā)送和接收簡單信息。

星型網(wǎng)實驗：方案設計的星型網(wǎng)的規(guī)模為1個中心節(jié)點和4個傳感器終端節(jié)點。實驗室房間長5m，寬3m。放定節(jié)點位置后，把每個傳感器節(jié)點放在中心節(jié)點的通信范圍內，所有節(jié)點只與中心接點進行數(shù)據(jù)傳輸。設定數(shù)據(jù)發(fā)送模式為廣播模式，數(shù)據(jù)位設置為：8位數(shù)據(jù)+無校驗+1位停止。

星型網(wǎng)絡建立后，我們從終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點，再通過RS232串口發(fā)送到PC機上，用開發(fā)工具LabVIEW8.5顯示PC收到的數(shù)據(jù)。經(jīng)觀察，丟包率和誤包率經(jīng)實踐驗證在規(guī)定的范圍內。無線傳輸距離測試表明，傳輸距離可達20m，空曠無障礙距離可達100m左右。

四、小結

ZigBee網(wǎng)絡省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動控制領域。Zigbee技術的目標是針對工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應用領域，另外它還可以對局部區(qū)域內移動目標例如城市中的車輛進行定位。

參考文獻

[1]C.-Y. Chong. Sensor Networks: Evolution，Opportunities，and Challenges. IEEE，0018-9219/03

[2]D. Estrain， R.Govindan，J. Heidemann，S. Kumar. Next Century Challenges: Scalable Coordiantion in Sensor Networks. In: Proc. Of Mobicom，1999，Seattle，USA，263-270

[3]蔣挺，趙成林．紫蜂技術及其應用．北京：北京郵電大學出版社，2006：34．36

[4]ZigBee Alliance．ZigBee specificationv 1.0．www．ZigBee．org，2004—1 1-19