ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

高祖宇

（東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，東莞 523808）

一般情況下，信息傳輸?shù)闹饕窂蕉际且揽炕A(chǔ)的通信網(wǎng)絡(luò)，一旦受外界因素的影響出現(xiàn)不同程度的損壞，就會影響傳輸信息的完整性。經(jīng)過長期的研究，無線傳輸系統(tǒng)逐漸被使用，其中，ZigBee技術(shù)是重要的組成部分。因此，研究如何合理科學(xué)地設(shè)計此系統(tǒng)，對提高無線傳輸系統(tǒng)的效用十分重要。

1 ZigBee無線系統(tǒng)概述

ZigBee技術(shù)是符合IEEE802標(biāo)準(zhǔn)（傳輸介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)的方法和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接的途徑）的功耗程度較低的局域網(wǎng)通信協(xié)議，也可以稱之為紫蜂協(xié)議。這一技術(shù)的特點，可以分成功耗、成本、效率、距離、延時和容量六點。相比較藍(lán)牙和wi fi系統(tǒng)而言，功耗較低，待機的情況下兩節(jié)五號電池可支持六到十四個小時。成本上，傳輸協(xié)議的簡化降低了對通信控制器的要求，芯片消耗的金額在十元左右。ZigBee的運行效率約在20-250每秒千位節(jié)的范圍內(nèi)，可以提供2.4兆赫茲、40kbps等原始數(shù)據(jù)吞吐率，能夠滿足傳輸系統(tǒng)低效率的要求。而適用的距離多為短、近的范圍，介乎10-100米之間，且系統(tǒng)反應(yīng)時間短延時性低，容量也相對較高。

自2012年始，ZigBee的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，以自動化技術(shù)和燈控應(yīng)用信息傳遞協(xié)議為主，進(jìn)一步地提高了無線傳輸系統(tǒng)的低功率、低功效和安全[1]。

2 設(shè)計ZigBee無線傳輸系統(tǒng)的方法

現(xiàn)階段，人們可接觸到的無線傳輸系統(tǒng)以藍(lán)牙等移動無線通信設(shè)備為主，像智能手機、電腦等設(shè)備都可以支持無線功能，為ZigBee的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)支持。為了做好ZigBee無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計工作，可以從以下的三點出發(fā)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

ZigBee系統(tǒng)的設(shè)計工作中，硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計是首要的環(huán)節(jié)。通常情況下，結(jié)構(gòu)的設(shè)計可以分成三個步驟。

2.1.1 芯片和協(xié)議結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZigBee系統(tǒng)的運行系統(tǒng)主要存儲在不同功能的芯片上，主控芯片的設(shè)計對后期的使用有著直接的影響。市面上流通的芯片類型很多。目前，ZigBee技術(shù)的形式有ZigBee RF+MCU、單芯片集成SOC和單芯片內(nèi)置ZIGBEE協(xié)議棧＋外掛芯片三種，在設(shè)計選擇時，要根據(jù)性能的要求，從四個方面進(jìn)行，分別是微處理器符合標(biāo)準(zhǔn)的8051處理器、ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜δ軈f(xié)議棧、單片機的成本較低以及開發(fā)工具的方便性，像CC2430芯片就比較符合這些要求。而協(xié)議結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計上，因ZigBee系統(tǒng)具有協(xié)議設(shè)計靈活性，可依據(jù)實際地需要自行定義，但傳輸標(biāo)準(zhǔn)上要統(tǒng)一，以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為主[2]。

2.1.2 協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZigBee系統(tǒng)可以支持網(wǎng)絡(luò)站點相互連接形式中的樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和無規(guī)則結(jié)構(gòu)三種，其中節(jié)點較多、結(jié)構(gòu)較為簡單的星形結(jié)構(gòu)使用較廣。對于這三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要將整體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層以及協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)層。需要注意地是協(xié)調(diào)器的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有兩種，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)需要設(shè)計869MHz/915MHz物理層，而IEEE802.2需設(shè)計2.4GHz物理層。最終形成的結(jié)構(gòu)，由計算機設(shè)備和協(xié)調(diào)器通過RS-232通訊接口連接，通信信號經(jīng)由ZigBee路由器，與終端的節(jié)點相連，實現(xiàn)無線傳輸。

2.1.3 節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

ZigBee系統(tǒng)的應(yīng)需要借助協(xié)調(diào)器運行，而協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)是依靠各個節(jié)點的工作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定和正常。這一部分的節(jié)點結(jié)構(gòu)包含了諸多的硬件設(shè)備，設(shè)計時要綜合考量各設(shè)備之間的聯(lián)系和協(xié)調(diào)。實際的設(shè)計環(huán)節(jié)，先要分成供電模塊、RS-232通訊接口、控制電路、無線模擬插座、燈控顯示電路和無核心模塊六個部分。之后，執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換和傳輸指令，完成無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程。

2.2 內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計

通過上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)內(nèi)容也要進(jìn)行設(shè)計。在設(shè)計時，可分成協(xié)調(diào)器設(shè)計和終端設(shè)計。其一，協(xié)調(diào)器設(shè)計。協(xié)調(diào)器是ZigBee系統(tǒng)的重要部分，屬于核心控制模塊。在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計的準(zhǔn)確后，內(nèi)部系統(tǒng)的設(shè)計必須圍繞職能重點即啟動軟件，合理地為各個節(jié)點分配不超過范圍的網(wǎng)絡(luò)地址，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類和傳輸處理。具體的流程，先要設(shè)計硬件并初始化協(xié)議結(jié)構(gòu)，接著啟動無線網(wǎng)絡(luò)，接受和執(zhí)行指令，再對指令的處理模式進(jìn)行選擇，可分為節(jié)點傳輸和接受數(shù)據(jù)兩種，對應(yīng)的結(jié)果為接受并存儲和數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。在這一過程中，終端節(jié)點的設(shè)計要特別注意，需要確保能夠?qū)?shù)據(jù)完整地發(fā)送給協(xié)調(diào)器，提高無線傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。

其二，終端系統(tǒng)設(shè)計。ZigBee系統(tǒng)終端的重點就是作為數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，把前端采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)不同的類別和要求，分別傳輸給協(xié)調(diào)器的節(jié)點。由于終端系統(tǒng)可自行放搜索網(wǎng)絡(luò)，并鏈如網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計時可以依據(jù)系統(tǒng)提示音判斷操作的成功與否。設(shè)計步驟上，與協(xié)調(diào)器系統(tǒng)的起始步驟存在相同之處，后續(xù)的步驟為自動搜索和接入網(wǎng)絡(luò)、成功入網(wǎng)、待機、指令接受和執(zhí)行。

2.3 ZigBee系統(tǒng)的試驗

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)計的最后一個工序就是檢測和驗證系統(tǒng)的傳輸情況，試驗進(jìn)行的過程中，利用ZigBee系統(tǒng)建立傳輸模塊與監(jiān)控中心的聯(lián)系，對系統(tǒng)的登錄、存儲和檢索、預(yù)警以數(shù)據(jù)設(shè)計性能檢測。試驗的進(jìn)行需滿足一定的條件，最為關(guān)鍵的是監(jiān)控距離的設(shè)計上要在不同的節(jié)點上都有布置，以保障測試的全面性。

3 結(jié)束語

總之，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用是信息科技進(jìn)步的必然趨勢，設(shè)計的過程環(huán)節(jié)，可以從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)備和試驗三個方面進(jìn)行，提高系統(tǒng)的效用和穩(wěn)定性。