一種基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

張 麗

（遼寧省本溪市機(jī)電工程學(xué)校，本溪 117000）

0 引言

ZigBee無線模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，以其網(wǎng)絡(luò)通信復(fù)雜度低、速率低、成本低、安全系數(shù)高以及全數(shù)字化性能等優(yōu)點(diǎn)受到人們的普遍關(guān)注，它是一種近距離、功耗低雙向無線通信技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用前景非常好，未來發(fā)展空間很大，可用在家庭自動(dòng)化、公寓樓宇自動(dòng)化、校園無線定位、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域?qū)⒊蔀閆igBee的主要應(yīng)用領(lǐng)域。特別在一些舊樓宇的改造中消耗較小。嵌入在其他設(shè)備中，將Internet的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相互連通，使其和ZigBee協(xié)議無線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩者很好的兼容完美的結(jié)合在一起，從而擴(kuò)大了人們感知世界的能力，展現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)帶給人們的功能強(qiáng)大。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

ZigBee是一種新型的低功耗無線傳感器。它的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于融合了一個(gè)增強(qiáng)型8051單片機(jī)模塊和一個(gè)無線模塊，它可以使數(shù)千個(gè)微小的無線傳感器安全可靠實(shí)現(xiàn)無線通信。除了采用IEEE802.15標(biāo)準(zhǔn)外，自帶的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，使它本身較小的能量，可以以接力的方式把無線電波從一個(gè)ZigBee傳感器數(shù)據(jù)傳到另一個(gè)模塊。ZigBee的通信效率非常高。校園管理監(jiān)控?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在各管理監(jiān)控區(qū)域設(shè)置了大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過接口端處理ZigBee協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)路由器通過協(xié)作感知和采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳感器傳到手機(jī)或電腦，及時(shí)反饋給觀察者。如果將其與我們工業(yè)用的以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合，而后與后臺(tái)管理主站融合，有效的解決了遠(yuǎn)程管理問題。

ZigBee技術(shù)在IEEE802.15網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理、采集通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可將通信能力分為FFD和RFD兩類。全功能器件FFD設(shè)備之間相通，與同網(wǎng)絡(luò)的任何設(shè)備通信，而且存儲(chǔ)空間大，它是傳感器中的主控制器，它除了完成自身的管理外，可用來協(xié)調(diào)處理和存放很大的路由信息，有分組轉(zhuǎn)發(fā)功能和鏈路狀態(tài)信息管理，它能可存在于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，主要能起到網(wǎng)關(guān)的作用。簡化功能器件RFD，只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，功耗低，內(nèi)存較小，彼此間不能協(xié)調(diào)各網(wǎng)絡(luò)，只能與FFD通信，可實(shí)現(xiàn)簡單通信，多用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，是最基本的傳感器節(jié)點(diǎn)，將把捕獲取得數(shù)據(jù)信息傳遞給功能器件RFD范圍內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

2 ZigBee無線傳感器特點(diǎn)

ZigBee是一種無線通信技術(shù)，傳輸率最高達(dá)250kb/s、20kb/s和40kb/s，在10-75厘米的范圍內(nèi)可以繼續(xù)增強(qiáng)速率。它主要特點(diǎn)是：

功耗低。因?yàn)閆igBee的傳輸速率低，功耗也比較低，ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)是，在待機(jī)模式下，使用兩節(jié)普通5號(hào)干電池可供ZigBee模塊工作6個(gè)月到24個(gè)月左右的使用時(shí)間，或許更長。

安全性能高。采用了64位出廠代碼和AES128加密算法、AccessControlList，ACL三級(jí)安全模式，難以解密，它對(duì)數(shù)據(jù)有完整性檢查和檢驗(yàn)功能，并且通過自動(dòng)路由傳輸方式自動(dòng)組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，信息傳輸?shù)目煽啃暂^高。

成本低、短時(shí)延。由于功耗和傳輸速率低，ZigBee協(xié)議簡單，從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)一般通信時(shí)延在15秒左右，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間在30秒，大大降低了電能，龐大的網(wǎng)絡(luò)容量將若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)空載在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)上管理，在主節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，能支持近66，000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。如果接入藍(lán)牙只需8s，接入Wi-Fi只需要3s。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰?qiáng)。ZigBee協(xié)議為確保各設(shè)備間正常運(yùn)行，自動(dòng)分配IP地址，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煞譃樾切汀湫秃途W(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，能自我重建無線網(wǎng)絡(luò)，有效范圍廣，通過功放組建后可達(dá)到1，000m以上網(wǎng)絡(luò)。

3 網(wǎng)絡(luò)傳感器硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

為加強(qiáng)學(xué)校的管理和校園網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃，通過技術(shù)升級(jí)和改造，以信息化和數(shù)字化為目標(biāo)，利用無線傳感技術(shù)和通信技術(shù)對(duì)校園環(huán)境進(jìn)行管理，建立和完善了學(xué)校以教學(xué)管理為核心的系列化校園管理應(yīng)用系統(tǒng)和服務(wù)體系建設(shè)，實(shí)施校園管理平臺(tái)項(xiàng)目建設(shè)。具體包括：教務(wù)管理系統(tǒng)、實(shí)訓(xùn)基地運(yùn)行管理平臺(tái)、校企合作管理平臺(tái)、學(xué)生管理系統(tǒng)、人事師資管理系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)、行政管理平臺(tái)、綜合管理系統(tǒng)等。先進(jìn)數(shù)字化管理手段的運(yùn)用，提高了學(xué)校管理效能。學(xué)校在電子商務(wù)專業(yè)運(yùn)用HTML語言與三維建模技術(shù)結(jié)合建設(shè)一個(gè)包含制造類企業(yè)與銷售類企業(yè)兩大類型企業(yè)的電子商務(wù)競爭模擬系統(tǒng)；3D虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)等。

監(jiān)控中心的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干終端設(shè)備組成，網(wǎng)絡(luò)管理數(shù)據(jù)監(jiān)控中心由1臺(tái)計(jì)算機(jī)和多個(gè)協(xié)調(diào)器組成，它是由多個(gè)ZigBee服務(wù)的FFD組成，對(duì)所有控制的子節(jié)點(diǎn)通信匯集數(shù)據(jù)、發(fā)布控制或起到通信路由的作用。配置的電源模塊管理單元，通過傳感器把無線通信模塊與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，進(jìn)行收發(fā)采集數(shù)據(jù)和交換控制消息。通信設(shè)備節(jié)點(diǎn)設(shè)有FFD或RFD任選一種，在ZigBee節(jié)點(diǎn)中RFD相對(duì)簡單，只實(shí)現(xiàn)一組最少的ZigBee服務(wù)。監(jiān)控中心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)所監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集；各種傳感器可以把采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)過傳輸發(fā)送給微處理模塊，一些附加功能要通過通用接口實(shí)現(xiàn)模塊相分離，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要添加不同類型的傳感器。

智慧校園一卡通數(shù)據(jù)庫對(duì)學(xué)校固定物資采購進(jìn)行統(tǒng)一編碼，上傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定制，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)中心。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)校園各監(jiān)控設(shè)施信息數(shù)據(jù)采集、處理發(fā)送給云計(jì)算中心，管理者可通過中心傳輸過來的數(shù)據(jù)和人員動(dòng)態(tài)，很好掌握校內(nèi)管理運(yùn)行情況。電源、嵌人式處理器、通信部件、感知部件、軟件和存儲(chǔ)器組成了一個(gè)無線傳感器，設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件主要包括，觀察者、感知對(duì)象、傳感器。傳感器通過對(duì)外界信息的目標(biāo)感知對(duì)象的信息采集，傳送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶，經(jīng)相互協(xié)調(diào)共同完成傳感信息的接收。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

IEEE標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有三部分組成，分別是STIM、ZigBee和NCAP，目前有線TII接口已被IEEE結(jié)構(gòu)模型的無線接口取代，在STIM和NCAP中嵌入ZigBee模塊，采用ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)了STIM和NCAP之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。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。

目前，數(shù)字化校園實(shí)現(xiàn)了480余點(diǎn)的IP網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，即時(shí)將校區(qū)及各區(qū)域重點(diǎn)部位的地理信息呈現(xiàn)在平安數(shù)字校園監(jiān)控中心的電視墻上。管理者可通過校園安全管理綜合監(jiān)控系統(tǒng)，查看信息，也可增添位置傳感器，擴(kuò)充現(xiàn)有數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能。對(duì)校園周邊環(huán)境地理信息進(jìn)行采集，并對(duì)監(jiān)控中心溫度、濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控。同時(shí)增加對(duì)火災(zāi)、水災(zāi)的的集中監(jiān)控和預(yù)防。實(shí)現(xiàn)固定資產(chǎn)設(shè)備的安全狀態(tài)管理。

5 結(jié)束語

本文主要介紹ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)通信方面的應(yīng)用，在不同模式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下，使網(wǎng)絡(luò)通信的互聯(lián)互通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信控制和信息交換功能，保證校園信管理更加規(guī)范。