淺議ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的特點及設計

嚴海穎

摘 要：本文就Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的特點、設計難點進行了相應的分析，旨在綜合自己學習過程中的收獲和一些想法。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡（wsn）；傳感器；ZigBee；設計

一、概述

（一）WSN簡介。無線傳感器網(wǎng)絡有著十分廣泛的應用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療，數(shù)字家庭，綠色節(jié)能，智慧交通等傳統(tǒng)和新興領域有具有巨大的運用價值，無線傳感器網(wǎng)絡將無處不在，將完全融入我們的生活。

（二）Zigbee WSN。 ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。作為無線傳感網(wǎng)的一種最常見的類型，ZigBee wsn是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。

二、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的特點

（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。（2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。（3） 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms，休眠激活的時延是15ms， 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制應用。（4） 網(wǎng)絡容量大： 一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡， 而且網(wǎng)絡組成靈活。（5） 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。（6） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和認證， 采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

三、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡的設計

（一）設計難點。 （1）通訊距離問題，由于一般的ZigBee前端RF部分輸出大部分只有0DBM，點對點開闊地帶實際通訊距離只有幾十米，如果加上環(huán)境和阻擋因數(shù)，通訊距離還會縮水。（2）ZigBee芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高頻率，硬件設計不可能繞開高頻設計和調(diào)試，需要的高頻設備如頻譜分析儀等，價格較高，也構成了一定技術門檻。（3）為了實時處理復雜的無線網(wǎng)絡管理和路由，ZigBee軟件協(xié)議棧代碼比較復雜，同時涉及比較多的無線技術知識背景，掌握這些無線軟件需要比較多的時間，加上協(xié)議棧在不斷升級，使用的微控制器也在不斷變化中，也加長了開發(fā)和調(diào)試周期。

這些設計難點，很多廠家已經(jīng)推出了各種比較完整的解決方案：對于ZIGBEE通訊距離的擴展，目前采用外部擴展和內(nèi)部增加放大器兩套辦法，TI最近推出的CC2591放大器芯片， CC2591能夠和CC2430等ZigBee單芯片完整結合，實現(xiàn)ZIGBEE通訊距離的擴展，點對點通訊距離可以輕易達到600米以上，通過ZigBee自動中繼路由，可以實現(xiàn)微功耗下數(shù)十公里的無線通信。

隨著大量模塊化產(chǎn)品的出現(xiàn)，解決了第二個應用難點，這些模塊只有大約1平方英寸大小，用電池供電，易于集成到用戶系統(tǒng)中。用戶從模塊入手，完全避免的高頻設計和調(diào)試的問題，可以將主要精力集中到應用系統(tǒng)設計。另外，目前的模塊在出廠時也配備了一套ZigBee串口通訊協(xié)議，這套協(xié)議將復雜的ZigBee應用，轉(zhuǎn)換為簡單的，具有ZigBee網(wǎng)絡功能的AT命令集，用戶只要會串口編程，無需要深入研究ZigBee協(xié)議棧，就可以輕松使用ZigBee技術。這樣就解決了第三個主要的技術難點。

（二） ZigBee應用系統(tǒng)設計的層次。 （1）系統(tǒng)集成，在這個層次，主要是要掌握ZigBee技術的應用特征，例如系統(tǒng)可靠性和網(wǎng)絡可靠性，通訊距離，抗干擾性能，低功耗性能等，使用標準產(chǎn)品和評估系統(tǒng)進行是比較好的進入點。優(yōu)點：入門需要的時間短，幾個小時或幾天。缺點：系統(tǒng)靈活性可能不夠，成本稍微高一些。 （2）采用模塊和自己的單片機系統(tǒng)組合設計，這要求對單片機技術比較熟悉，當然最好是采用自己熟悉的單片機，主要工作是熟悉ZigBee AT命令集，如何通過AT命令集來操作復雜ZigBee無線網(wǎng)絡，由于不需要分析無線協(xié)議棧代碼和進行高頻設計，用戶可以將主要精力集中在自己的應用代碼開發(fā)。優(yōu)點：入門時間是一星期或更短。缺點：需要在模塊后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加。（3）采用模塊或者直接使用ZigBee芯片進行自己的ZigBee應用系統(tǒng)設計。如果不希望進行高頻設計，可以從模塊開始，直接使用TI等公司提供的

ZigBee協(xié)議棧源代碼和庫文件，自己進行應用代碼的編寫，然后直接下載到模塊進行調(diào)試，由于EZ-LBee這樣的通用，開放，開源模塊的出現(xiàn)，使這種開發(fā)辦法成為了可能。（4）自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZigBee開發(fā)系統(tǒng)，進行設計。優(yōu)點：可以實現(xiàn)單芯片化設計，最終產(chǎn)品成本最低。缺點：需要對軟件和ZigBee協(xié)議棧進行消化和分析，也需要高頻設計方面的知識和經(jīng)驗，需要的時間可能是數(shù)月或更長。

結語：我們進入ZigBee wsn系統(tǒng)設計的難度重心，是盡快掌握無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧軟件使用，同時盡快進入相關應用軟件開發(fā)。由于ZigBee芯片廠家推出各種標準產(chǎn)品、模塊、開發(fā)工具，以及免費ZigBee協(xié)議棧等，大大降低了ZigBee技術入門臺階，我們可以方便的根據(jù)自己的實際情況，確定設計的層次，輕松開始ZigBee應用系統(tǒng)設計。