Zigbee無線組網(wǎng)技術(shù)的研究

馮艷如 孫運(yùn)強(qiáng)

(中北大學(xué) 太原 030051)

0 引言

目前，短距離無線通信技術(shù)已成為無線通信技術(shù)的一個(gè)重要分支，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，存在著許多這樣的應(yīng)用情況，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào)，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，所以我們提出來zigbee 技術(shù)，它是一組基于IEEE 批準(zhǔn)通過的802.15.4 無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，zigbee 主要用在短距離無線控制系統(tǒng)，傳輸少量的控制信息，例如，在智能家居領(lǐng)域中，zigbee 可以用來傳輸控制燈亮或燈滅的控制信息?；趜igbee 的無線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz、2.4GHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。

現(xiàn)在ZigBee 技術(shù)已經(jīng)成為研究的新熱點(diǎn)，其彌補(bǔ)了短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用研究的空白，該在不久的未來，基于ZigBee 技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)將同計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣融入人們生活的每一個(gè)角落，給人們的生活帶來方便和快捷。

1 cc2530 簡(jiǎn)介

進(jìn)行zigbee2007 無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，需要有相關(guān)的硬件和軟件，在硬件方面，T1 公司推出了完全支持zigbee2007 的單片機(jī)cc2530，其正常工作需要的電壓是2 ～3.6V，一般輸入電壓典型值為3.3V，ADC 接口是方便用戶進(jìn)行AD 采樣實(shí)驗(yàn)，RS232 接口是串口通信電路接口，可以方便用戶進(jìn)行串口實(shí)驗(yàn)，在zigbee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)過程中，可以使用串口輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，仿真接口可以實(shí)現(xiàn)程序的在線仿真、調(diào)試、下載功能，天線接口用于實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的接收，圖1 為cc2530-EB 開發(fā)板硬件圖。

圖1 cc2530-EB 開發(fā)板硬件圖

2 zigbee 介紹

Zigbee 是一種短距離雙向的無線通信技術(shù)，技術(shù)特點(diǎn)可以概括為四低，低復(fù)雜度，低功耗，低數(shù)據(jù)速率和低成本，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。Zigbee 的協(xié)議棧采用的是OSI分層結(jié)構(gòu)，其中物理層(PHY)，媒體接入層(MAC)，鏈路層(LLC)，由IEEE802.15.4 工作小組制定，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由zigbee 聯(lián)盟制定，在Zigbee 協(xié)議規(guī)范中，應(yīng)用層(APL)分為三個(gè)部分，應(yīng)用支持子層、設(shè)備配置層和用戶自己開發(fā)的應(yīng)用程序。

Zigbee 是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備;而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備(也稱為協(xié)調(diào)器)，如下圖所示:

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為zigbee 網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，每個(gè)zigbee 傳感器網(wǎng)絡(luò)都必須具有唯一的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備，在zigbee 網(wǎng)絡(luò)中起到了主導(dǎo)作用，由FFD 設(shè)備實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器功能，協(xié)調(diào)器設(shè)備在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的作用是網(wǎng)絡(luò)的建立者和管理者，負(fù)責(zé)信道的選擇、網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)的加入或退出。

3 zigbee 組網(wǎng)研究

當(dāng)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須告知協(xié)調(diào)器如何創(chuàng)建源端點(diǎn)和目標(biāo)端點(diǎn)之間的鏈路。ZigBee 協(xié)議定義了一個(gè)稱為端點(diǎn)綁定的特殊過程。作為綁定過程的一部分，一個(gè)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)或一個(gè)類似于設(shè)備管理器的節(jié)點(diǎn)會(huì)請(qǐng)求協(xié)調(diào)器修改其綁定表。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)基本上包含兩個(gè)或多個(gè)端點(diǎn)之間的邏輯鏈路的綁定表。每個(gè)鏈路根據(jù)其源端點(diǎn)和群集ID 來唯一定義。收到設(shè)備請(qǐng)求接入網(wǎng)絡(luò)命令，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器判斷是否允許其加入自己的網(wǎng)絡(luò)。若同意，為設(shè)備分配該網(wǎng)絡(luò)一個(gè)地址，可以是該網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)一無二的16 位短地址，也可以是設(shè)備本身的64 位長(zhǎng)地址。圖2 為星型網(wǎng)絡(luò)組建流程圖。

圖2 星型網(wǎng)絡(luò)組建流程圖

Zigbee 組網(wǎng)過程中，所有節(jié)點(diǎn)都使用CC2530芯片作為中央處理芯片，改芯片集成了一個(gè)加強(qiáng)型的8051 單片機(jī)，在研究過程中使用IAR Embedded Workbench 作為節(jié)點(diǎn)設(shè)備的軟件開發(fā)平臺(tái)。TI公司為ZigBee 技術(shù)的開發(fā)人員提供了幵源的Z-stack協(xié)議棧，在此協(xié)議棧上進(jìn)行ZigBee 應(yīng)用的開發(fā)能夠有效縮短開周期、提高開發(fā)效率。IAR 軟件開發(fā)環(huán)境如圖3所示。

圖3 IAR 軟件開發(fā)環(huán)境

通常只有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器才能建立一個(gè)新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器可通過向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求原語請(qǐng)求建立新網(wǎng)絡(luò)，收到請(qǐng)求原語后，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體會(huì)向MAC 子層請(qǐng)求對(duì)某一指定通道或是默認(rèn)的可利用通道進(jìn)行能量檢測(cè)掃描，掃描的結(jié)果將通過MAC 子層回復(fù)的掃描確認(rèn)原語被返回。

若返回的結(jié)果為能量檢測(cè)掃描成功，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體會(huì)根據(jù)能量測(cè)試的結(jié)果，拋棄那些能量值在可接受標(biāo)準(zhǔn)之上的通道。接著，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體第二次發(fā)布掃描請(qǐng)求原語進(jìn)行主動(dòng)掃描。通過主動(dòng)掃描即可完成對(duì)其他Zigbee 設(shè)備的查找。為了確定建立新網(wǎng)絡(luò)的最佳通道，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將審查返回的個(gè)域網(wǎng)描述符表，并找出ID 表中編號(hào)最低的通道。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立了新的網(wǎng)絡(luò)后，可允許其他設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中。若協(xié)調(diào)器想將其他新設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中，可通過向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)布允許加入請(qǐng)求原語來啟動(dòng)加入操作。

4 結(jié)語

無線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、家庭自動(dòng)化等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令Zigbee 應(yīng)運(yùn)而生;高度集成化的軟、硬件架構(gòu)和產(chǎn)品，也使應(yīng)用人員如虎添翼，更快、更方便地進(jìn)行最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這些顯示出Zigbee 具有超強(qiáng)的生命力和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分看好。

［1］董海濤，屈玉貴，趙保華.ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］，計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用.2007，(12):124-126.

［2］林子敬.基于ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009:90-110.

［3］金純、羅祖秋.zigbee 技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社.2008:70-80.

［4］高守瑋，吳燦陽.ZigBee 技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2009.

［5］M.Shallrnugaraj，R.C.Muthu，R.Prabakaran.Industial Monitoring Using ZigBee Network.Communication Sin Computeran Information Seienee2011，vol.142，pp.65-95.

［6］Zheng Jiaehun，Zhang Xinggu，F(xiàn)ang Gengshun and LuLinhua.“APPlieation Research of the ZigBee Teehnology in the Navigation Marks Monitoring System”，ISTAI2010，PP.534-541.

［7］趙景宏，李英凡，許純信，ZigBee 技術(shù)簡(jiǎn)介［J］.電力系統(tǒng)通信，2006，27(165):54-56.