基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡研究

王曉卉

【摘要】本文結合傳感器技術介紹了ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的開發(fā)與應用，并給出了一個實際系統(tǒng)的軟硬件設計方案，最后對該設計方案進行測試，給出測試結果，證明了該方案的可行性。

【關鍵詞】ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡 協(xié)議 IEEE802.15.4

1引言

隨著網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，人們對無線通信的要求也越來越高。短程、低速、廉價的無線通信技術整成為關注的焦點。目前，一種新的無線通信技術引起了人們的關注，這就是所謂的ZigBee技術。ZigBee技術的出現(xiàn)，正好滿足了傳感器網(wǎng)絡低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準。ZigBee以其高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點，使其和無線傳感器網(wǎng)絡完美的結合在一起。目前，基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已經(jīng)得到越來越多的關注。

2ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主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。

它彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用。它依據(jù)IEEE802.15.4標準，在數(shù)千個小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。

ZigBee技術的應用前景被非?？春谩igBee在未來的幾年里將在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫(yī)用設備控制等多個領域具有廣泛的應用前景，特別是家庭自動化和工業(yè)控制，將成為今后ZigBee的主要應用領域。

3無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)設計

基于IEEE標準和ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡由STIM、ZigBee和NCAP三部分組成，在IEEE的結構模型上用無線接口取代了有線的TII接口，通過在STIM和NCAP中嵌入ZigBee模塊，采用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)了STIM和NCAP之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。

3.1系統(tǒng)硬件總體設計

無線傳感器節(jié)點執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信等工作。ZigBee技術將終端從器件上分成兩類。一類是全功能器件FFD，它擁有足夠的存儲空間來存放路由信息并且處理能力也相應增強，它承擔了網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者的功能，可以同網(wǎng)絡中的任何設備通信，可存在于任何拓撲結構中。另一類是簡化功能器件RFD，它內(nèi)存較小，功耗低，不能作為網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，只能與FFD通信，實現(xiàn)簡單，多用于星型拓撲結構中。全功能器件主要起到網(wǎng)關的作用，而簡化功能器件是最基本的傳感器節(jié)點，用來捕獲數(shù)據(jù)信息并傳遞給其范圍內(nèi)的網(wǎng)關節(jié)點。

整個網(wǎng)絡由若干終端設備和監(jiān)控中心組成，網(wǎng)絡采用星型拓撲結構，監(jiān)控中心由1臺計算機和多個協(xié)調(diào)器組成，協(xié)調(diào)器是一種實現(xiàn)一組很多ZigBee服務的FFD，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制或起到通信路由的作用。設備節(jié)點可以是FFD或RFD，RFD是最簡單的ZigBee節(jié)點，只實現(xiàn)一組最少的ZigBee服務。

數(shù)據(jù)采集模塊主要負責監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感器采集的信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號并送給微處理模塊；微處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務管理等，最主要的是需要實現(xiàn)網(wǎng)絡安全可靠的通信協(xié)議；無線通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊管理單元選通所用到的傳感器。通過通用接口實現(xiàn)附加功能與系統(tǒng)核心模塊相分離，降低系統(tǒng)復雜性并可根據(jù)實際應用添加不同類型的傳感器。

3.2系統(tǒng)軟件總體設計

ZigBee系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的ZigBee協(xié)議棧的基礎上進行的，這涉及與傳感器的配合以及網(wǎng)絡架構等方面的問題。ZigBee協(xié)議棧分為有償和無償兩種。目前世界上最大的兩家ZigBee芯片提供商TI和Freescle都推出了符合各自生產(chǎn)的ZigBee芯片的協(xié)議棧。

當一個無線傳感器網(wǎng)絡形成之后，節(jié)點一般處于休眠狀態(tài)。而當某個節(jié)點在一個隨機時間醒來或被某事件喚醒后，其第一個步驟就是搜索其通信范圍內(nèi)已存在的網(wǎng)絡。如果找到網(wǎng)絡，本節(jié)點將根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡信息選定一個父節(jié)點并提出入網(wǎng)申請，同時等待父節(jié)點的請求響應。此時如果沒有找到任何網(wǎng)絡，節(jié)點將申明自己為PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器并建立網(wǎng)絡，并作為父節(jié)點接收入網(wǎng)申請。當父節(jié)點收到一個入網(wǎng)申請后，將根據(jù)請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡的判斷，若允許加入，父節(jié)點將發(fā)出請求響應并告知子節(jié)點。子節(jié)點收到請求響應后，將獲得父節(jié)點分配給它的一個網(wǎng)絡地址（也稱為短地址）作為網(wǎng)絡內(nèi)唯一的身份標識。至此，節(jié)點將成功加入網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡后，節(jié)點將作為協(xié)調(diào)器廣播信標幀，同時接受新節(jié)點的入網(wǎng)請求。這樣，通過一級一級的短地址分配，傳感區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點將組成簇樹的網(wǎng)絡拓撲結構。

簇樹結構的無線傳感器網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均為FFD。任何一個節(jié)點都有建立網(wǎng)絡的能力，建立網(wǎng)絡的節(jié)點及PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對應著無線傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)關節(jié)點。其它協(xié)調(diào)器可作為子節(jié)點加入網(wǎng)絡，并具有加入其他未入網(wǎng)節(jié)點的能力，每個節(jié)點都具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。在節(jié)點入網(wǎng)的過程中，相互通信的一對節(jié)點構成父子關系，已經(jīng)加入網(wǎng)絡的節(jié)點稱為父節(jié)點，另一個節(jié)點稱為它的子節(jié)點。

3.3系統(tǒng)測試總體設計

系統(tǒng)測試分為硬件測試和軟件測試兩種方法。硬件測試包括：射頻部分測試、ADC測試、溫度傳感器測試、UART測試、時鐘模式測試、隨機數(shù)測試、加密解密測試、直接存儲測試、電源模式測試、時鐘中斷測試和外部中斷測試等，其中，射頻部分測試是最為重要的部分。軟件測試是將插上帶有射頻控制模塊的監(jiān)控設備通過USB接口連接到計算機后，配合使用一些列工具軟件實現(xiàn)一臺ZigBee數(shù)據(jù)協(xié)議分析儀的功能。

參考文獻：

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