基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究

韓薇薇

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院揚州分院 江蘇 揚州 225000）

0 引言

藍(lán)牙作為無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要組成部分，與機(jī)械和工業(yè)控制的融合使其已經(jīng)實現(xiàn)了自動化目標(biāo)，但藍(lán)牙在價格方面有著明顯劣勢，絕大部分企業(yè)不愿意用無線技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)備的自動化控制。ZigBee技術(shù)隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展逐漸在不同行業(yè)機(jī)械設(shè)備控制等方面廣泛應(yīng)用，其在運行功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率和成本投入等方面優(yōu)勢十分明顯。本質(zhì)上是無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，相較于單純的藍(lán)牙傳輸和Wi-Fi傳輸應(yīng)用均有著巨大優(yōu)勢。本文基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究，為今后ZigBee技術(shù)下的無線網(wǎng)絡(luò)持續(xù)推廣提供參考。

1 無線網(wǎng)絡(luò)概述

1.1 體系結(jié)構(gòu)

分布在檢測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器，利用無線通信方式逐一連接最終形成的網(wǎng)絡(luò)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，檢測區(qū)域內(nèi)的各項信息均能夠及時進(jìn)行收集、處理、分類及儲存，觀察人員可以接受無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于客觀世界有效感知。無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖1所示，組成部分可以分為匯聚節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星任務(wù)節(jié)點和傳感器。分布在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點能夠有效感知網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋的各項信息，并且能夠全面擺脫時間和地點的限制進(jìn)行信息的采集以及處理[1]。傳感器之間的相關(guān)節(jié)點能夠進(jìn)行信息儲存、傳遞，傳感器采集到各項信息經(jīng)過多次處理之后到達(dá)匯聚節(jié)點，隨后進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星管理節(jié)點中。用戶則可以針對管理節(jié)點中的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位管理，位于監(jiān)控區(qū)域信息在被傳感器收集后同樣會經(jīng)過多個環(huán)節(jié)處理傳輸?shù)叫l(wèi)星管理節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)體系中。用戶針對分布在管理節(jié)點中的各項數(shù)據(jù)可以落實多元化管理，同時也可以進(jìn)行信息發(fā)布或數(shù)據(jù)收集。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成示意圖

1.2 特點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常均是利用區(qū)域內(nèi)分布的微型傳感器節(jié)點獲得區(qū)域內(nèi)部的各項數(shù)據(jù)信息，并且網(wǎng)絡(luò)工作是以無線通信的方式進(jìn)行，具備如下幾項基本特點：第一，精度特點。這些密集分布的微型傳感器也能夠在區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行密集檢測或是針對近距離的目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，能夠在有效感知信息的前提下，保障采集的數(shù)據(jù)具有較高的精度，這是單一傳感器不具備的優(yōu)勢。第二，可靠性特征。如若無線監(jiān)測區(qū)域的微型傳感器節(jié)點在工作中出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，故障節(jié)點的問題不會對其他節(jié)點的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)產(chǎn)生明顯影響，體現(xiàn)了無線傳感器運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性優(yōu)勢。第三，經(jīng)濟(jì)特點。當(dāng)下科技的迭代更新速度提升十分明顯，衛(wèi)星傳感器節(jié)點的優(yōu)勢特征逐漸凸顯，再加之?dāng)?shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)中的無線傳感器無須使用線纜等基礎(chǔ)物質(zhì)，成本投入明顯下降[2]。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

2.1 ZigBee協(xié)議棧

協(xié)議棧處于整個無線網(wǎng)絡(luò)的核心位置，彼此之間保持關(guān)聯(lián)的子層是其重要的組成部分，且彼此之間均可以提供上層需要的各種服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸可以借助數(shù)據(jù)實體實現(xiàn)，管理實體則是在其余工作中發(fā)揮作用[3]。服務(wù)實體和上層之間形成的服務(wù)接口就是服務(wù)器的入口。協(xié)議棧是由應(yīng)用、物理、MAC及網(wǎng)絡(luò)等層面組成。物理層在協(xié)議棧的運行環(huán)節(jié)中，管理的主要對象是數(shù)據(jù)傳輸，可以提供不同層次需要的服務(wù)。無線收發(fā)器的開關(guān)狀態(tài)同樣受到物理層的管理，可以借助實時檢測能量及鏈路質(zhì)量結(jié)合檢測的數(shù)據(jù)結(jié)果選用合理的信道，在信道評估完全得到控制后，就可以發(fā)揮MAC媒體作用對接入層進(jìn)行管控，用以發(fā)送、接受各種數(shù)據(jù)。MAC層則可以借助管理實體的服務(wù)接入點落實MAC層數(shù)據(jù)和本層管理實體的服務(wù)工作，基本的程序可以分為管理信標(biāo)、接入信道等[4]。網(wǎng)絡(luò)層則需要完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組建，并開展相應(yīng)的維護(hù)工作，同時也包括了數(shù)據(jù)的管理、關(guān)聯(lián)任務(wù)的命名、地址的尋找及網(wǎng)絡(luò)安全維護(hù)等。應(yīng)用層則是無線網(wǎng)絡(luò)最終應(yīng)用的框架模型，通常負(fù)責(zé)會聚數(shù)據(jù)流及發(fā)現(xiàn)各種設(shè)備和業(yè)務(wù)。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組成

路由器、協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點三者共同組建了無線網(wǎng)絡(luò)，星狀、網(wǎng)狀、簇狀是較為常見的3種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型。以星狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)展看來，網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)工作交由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)，其余設(shè)備則是以終端設(shè)備的角色存在，且可以一對一地和個人局域網(wǎng)（personal area network，PAN）協(xié)調(diào)器實時通信。如若網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇簇狀，在完成網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作后，協(xié)調(diào)器需要確定網(wǎng)絡(luò)ID及信道的參數(shù)數(shù)據(jù)，路由器則需要持續(xù)將網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍進(jìn)行拓展，數(shù)據(jù)的發(fā)送以層次路由作為媒介。

2.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)及作用發(fā)揮是以網(wǎng)絡(luò)地址分配作為前提條件，這也是有效維護(hù)地址唯一性的有效方法。因此，相關(guān)人員為了保障主設(shè)備和子設(shè)備之間的通信順暢，必須要關(guān)注尋址方式合理的選擇。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸工作中，常見的方式以單點、間接和廣播發(fā)送為主。應(yīng)用層在將網(wǎng)絡(luò)世界中的數(shù)據(jù)包發(fā)放給不同設(shè)備時，通常會選擇網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的方式，設(shè)置目標(biāo)地址的方法均是以廣播地址模式設(shè)置為主。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議是以，無線自組網(wǎng)按需平面距離向量路由協(xié)議（ad hoc ondemand distance vector routing，AODV）的專用路由器為媒介進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，同時在經(jīng)過簡化處理之后，網(wǎng)絡(luò)層可以借助該協(xié)議將路由器接收的單點發(fā)送數(shù)據(jù)直接進(jìn)行傳輸。如果目標(biāo)的節(jié)點是相鄰的路由器，則可以直接將信發(fā)送到目標(biāo)設(shè)備當(dāng)中，在尋找路徑的過程中，數(shù)據(jù)包通常會在緩沖區(qū)域中有效儲存，直到完成路徑尋找為止。在此之后，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)需要在不同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立一個路徑，并且任何路由器均可以發(fā)現(xiàn)和選擇這一路徑。實際上，這是發(fā)現(xiàn)和選擇原地址與目標(biāo)地址之間全部路徑，并最終確定最佳的路徑過程。

2.4 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是以通信方法聯(lián)合區(qū)域內(nèi)部的衛(wèi)星傳感器所形成的自助式網(wǎng)絡(luò)，即便部分節(jié)點出現(xiàn)了損壞或者是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也能夠及時進(jìn)行調(diào)整，以此維護(hù)穩(wěn)定的通信。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖2所示，在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)部分布的傳感器節(jié)點，在采集完成各項環(huán)境數(shù)據(jù)信息之后，可以順著終端以及路由器節(jié)點逐級進(jìn)行傳輸，最終可以通過網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)酵獠烤W(wǎng)絡(luò)中。

圖2 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成示意圖

傳感器節(jié)點作為傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的基本單元，通?？梢苑譃楣δ芸刂?、無線通信和能量供應(yīng)等多個模塊，功能模塊需要在數(shù)據(jù)信息采集工作基本完成后，針對各項信息實施數(shù)模轉(zhuǎn)化，控制模塊則是在數(shù)據(jù)的儲存、同步轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)管理工作方面負(fù)有主要的職責(zé)。傳感器網(wǎng)絡(luò)分布的無線通信功能模塊需要維持和網(wǎng)絡(luò)中其他路由器的交流，負(fù)責(zé)儲存、傳輸各項數(shù)據(jù)，無線通信模塊則是要與不同的路由器進(jìn)行通信，能量供應(yīng)則是提供不同功能模塊運行需要的各種能量，具體的傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)組成示意圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)組成示意圖

在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，有效連接傳感器和網(wǎng)關(guān)的紐帶就是協(xié)調(diào)器，不僅能夠有效地傳遞上層下發(fā)的各種指令，并且獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)，也能夠及時上傳到網(wǎng)關(guān)中。網(wǎng)關(guān)可以同步轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，數(shù)據(jù)服務(wù)器則能夠用于監(jiān)控并對傳感器的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。

3 ZigBee技術(shù)和藍(lán)牙、Wi-Fi相比的應(yīng)用優(yōu)勢

隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，ZigBee技術(shù)不僅擁有了藍(lán)牙在傳輸方面的固定優(yōu)勢，并且該項技術(shù)是以低傳輸速率為基礎(chǔ)形成的傳輸技術(shù)，能耗投入進(jìn)一步下降，意味著該項技術(shù)能夠在無法頻繁更換電池的設(shè)備中長時間使用，確保信息傳遞時間能夠有效延長，諸如玩具、部分特殊的工程用具和老年人的萬能遙控器等均可以利用ZigBee技術(shù)，在有效削減電能成本的同時，保障技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)張。即便藍(lán)牙技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用范圍，但絕大部分均是替代有線和無線暫時進(jìn)行應(yīng)用的一項技術(shù)，因為其能耗和設(shè)備成本投入相對較高，在部分價格便宜的設(shè)備中不具備任何的競爭優(yōu)勢。此外，藍(lán)牙設(shè)備的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)逐漸成熟，其發(fā)展?jié)摿σ惨呀?jīng)基本挖掘完畢，即使對其基礎(chǔ)框架再次進(jìn)行優(yōu)化也無法得到有效改變。

ZigBee技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)之間的關(guān)系并非絕對性的替代關(guān)系，二者是一種針對共生的發(fā)展傾向。從技術(shù)領(lǐng)域來看，ZigBee及Wi-Fi這2項技術(shù)均是短距離數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的代表性成果[5]。固定電源的應(yīng)用可以全面緩解Wi-Fi技術(shù)應(yīng)用中出現(xiàn)的能耗水平較低的問題，Wi-Fi技術(shù)在數(shù)據(jù)的傳輸范圍、速度方面的提升目標(biāo)可以借助大功率設(shè)備實現(xiàn)。即便ZigBee技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、范圍方面與Wi-Fi技術(shù)相比不具備明顯優(yōu)勢，但在技術(shù)針對性應(yīng)用方面的優(yōu)勢體現(xiàn)卻十分明顯。ZigBee技術(shù)在功耗容量、成本等方面有著明顯優(yōu)勢，僅需要2節(jié)最為普通的5號電池就能夠維持信號傳輸2年的續(xù)航要求，意味著ZigBee技術(shù)在小功率、小電量領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用空間。同時，ZigBee技術(shù)反應(yīng)時間相對較短，一般反應(yīng)時間為15 ms，在實際使用環(huán)境中的適用性更強(qiáng)。

4 基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

4.1 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

在無線監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)中，基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用相對較為廣泛，相關(guān)人員可以借助層次化的網(wǎng)絡(luò)建立包括路由器、協(xié)調(diào)器、無線傳感器和監(jiān)控主機(jī)在內(nèi)的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺，隨后利用無線網(wǎng)絡(luò)針對不同設(shè)備進(jìn)行連接。系統(tǒng)中心可以借助無線終端設(shè)備對于各項監(jiān)控監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)信息實時獲取，并且協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)可以將其發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可以使用無線網(wǎng)絡(luò)將指令發(fā)送到對應(yīng)的目標(biāo)終端設(shè)備中，終端設(shè)備可以借助整個網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中分布的傳感器采集周邊環(huán)境中需要的各項數(shù)據(jù)信息，并在數(shù)模轉(zhuǎn)換處理之后，由處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將其轉(zhuǎn)化為射頻模塊，最終發(fā)送到路由器，由路由器將射頻模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。這一監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)通常均會使用1個以ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)射頻芯片或其他形式的無線模塊，能夠借助路由器與單片機(jī)主機(jī)和各個監(jiān)控節(jié)點有效連接，配合軟件和系統(tǒng)的設(shè)計、調(diào)整，使得數(shù)據(jù)信息類型差異對信息交換的影響明顯降低。立足設(shè)備的應(yīng)用層面，F(xiàn)FD設(shè)備一般扮演的是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器角色，分布在大范圍內(nèi)各項設(shè)備的通信條件得到明顯改善，RFD則是其余設(shè)備的首選型號，由其與中心節(jié)點進(jìn)行連接，無線網(wǎng)絡(luò)的使用范圍也可以靈活地進(jìn)行調(diào)整和布置。

4.2 自動控制系統(tǒng)

基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用相對較為廣泛，并成為當(dāng)下自動控制系統(tǒng)中的主要網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。以ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形成的自動控制系統(tǒng)一般可以分為發(fā)射、接收和電源3個重要模塊。其中的發(fā)射模塊主要包括了ZigBee主控芯片、協(xié)調(diào)機(jī)芯片和通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）模塊，接收模塊具體包括了射頻芯片，D/A轉(zhuǎn)換器芯片，V/I轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)，接收模塊完全可以利用轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)接口進(jìn)行連接，隨后將接收到的數(shù)據(jù)信號由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘枴Ｔ谠O(shè)計電源模塊時，相關(guān)人員需要綜合考慮電磁兼容問題，應(yīng)該在降低環(huán)路電阻數(shù)量的同時，提高整個線路的抗噪聲能力，不同模塊需要設(shè)計與之相對應(yīng)的軟件程序，用于驅(qū)動設(shè)備完成對應(yīng)的指令。自動控制系統(tǒng)在當(dāng)下的農(nóng)業(yè)、工業(yè)，城市管理等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。無線傳感器和ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的射頻芯片組成的無線數(shù)據(jù)通信模塊，可以在彼此聯(lián)系的前提下，對于無線傳感器的芯片信息進(jìn)行發(fā)送和接收，為人們的生產(chǎn)以及日常生活帶來了較大便利。

4.3 定位系統(tǒng)

有關(guān)定位系統(tǒng)中的ZigBee技術(shù)支持下的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可以借用ZigBee技術(shù)為基石的無線模塊及CMOS芯片控制器完成硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作，且無須添加過多的零散元件，就可以擁有較為明顯的干擾抵抗能力。如若定位信號處在2.4 GH又或者是ISM頻段，信號的傳輸精準(zhǔn)性提升十分明顯。在定位系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部形成的射頻及基帶可以有效發(fā)送、接收信息，射頻模塊主要提供信息傳輸必要的網(wǎng)絡(luò)接口，基帶主要是針對信號的類型差別實施分類處理、儲存，這些經(jīng)過妥善處理之后的信號可以通過A/D轉(zhuǎn)換器得以暫時在緩存中儲存。

5 總結(jié)

總而言之，與藍(lán)牙和Wi-Fi技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)有著明顯應(yīng)用優(yōu)勢，最為常見的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)和定位系統(tǒng)中，均分布著ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)了各項數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)收集、傳遞及輸送。隨著我國現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)種類也會不斷革新，能夠以更低的能耗水平進(jìn)行大量信息傳輸，為人們的生產(chǎn)、生活提供巨大便利。