基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究

王曉卉

【摘要】本文結(jié)合傳感器技術(shù)介紹了ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，并給出了一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測(cè)試，給出測(cè)試結(jié)果，證明了該方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議 IEEE802.15.4

1引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)無(wú)線通信的要求也越來(lái)越高。短程、低速、廉價(jià)的無(wú)線通信技術(shù)整成為關(guān)注的焦點(diǎn)。目前，一種新的無(wú)線通信技術(shù)引起了人們的關(guān)注，這就是所謂的ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，正好滿足了傳感器網(wǎng)絡(luò)低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee以其高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美的結(jié)合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已經(jīng)得到越來(lái)越多的關(guān)注。

2ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，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。

它彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景被非常看好。ZigBee在未來(lái)的幾年里將在工業(yè)控制、工業(yè)無(wú)線定位、家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子、醫(yī)用設(shè)備控制等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是家庭自動(dòng)化和工業(yè)控制，將成為今后ZigBee的主要應(yīng)用領(lǐng)域。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)設(shè)計(jì)

基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由STIM、ZigBee和NCAP三部分組成，在IEEE的結(jié)構(gòu)模型上用無(wú)線接口取代了有線的TII接口，通過(guò)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

3.1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)采集、處理和通信等工作。ZigBee技術(shù)將終端從器件上分成兩類。一類是全功能器件FFD，它擁有足夠的存儲(chǔ)空間來(lái)存放路由信息并且處理能力也相應(yīng)增強(qiáng)，它承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可以同網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信，可存在于任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。另一類是簡(jiǎn)化功能器件RFD，它內(nèi)存較小，功耗低，不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，只能與FFD通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，多用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中。全功能器件主要起到網(wǎng)關(guān)的作用，而簡(jiǎn)化功能器件是最基本的傳感器節(jié)點(diǎn)，用來(lái)捕獲數(shù)據(jù)信息并傳遞給其范圍內(nèi)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)由若干終端設(shè)備和監(jiān)控中心組成，網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，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，協(xié)調(diào)器是一種實(shí)現(xiàn)一組很多ZigBee服務(wù)的FFD，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。設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以是FFD或RFD，RFD是最簡(jiǎn)單的ZigBee節(jié)點(diǎn)，只實(shí)現(xiàn)一組最少的ZigBee服務(wù)。

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集并將各種傳感器采集的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并送給微處理模塊；微處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的處理操作、路由協(xié)議、同步定位、功耗管理、任務(wù)管理等，最主要的是需要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全可靠的通信協(xié)議；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊管理單元選通所用到的傳感器。通過(guò)通用接口實(shí)現(xiàn)附加功能與系統(tǒng)核心模塊相分離，降低系統(tǒng)復(fù)雜性并可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用添加不同類型的傳感器。

3.2系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

ZigBee系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這涉及與傳感器的配合以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面的問(wèn)題。ZigBee協(xié)議棧分為有償和無(wú)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。

當(dāng)一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成之后，節(jié)點(diǎn)一般處于休眠狀態(tài)。而當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)在一個(gè)隨機(jī)時(shí)間醒來(lái)或被某事件喚醒后，其第一個(gè)步驟就是搜索其通信范圍內(nèi)已存在的網(wǎng)絡(luò)。如果找到網(wǎng)絡(luò)，本節(jié)點(diǎn)將根據(jù)所獲得的網(wǎng)絡(luò)信息選定一個(gè)父節(jié)點(diǎn)并提出入網(wǎng)申請(qǐng)，同時(shí)等待父節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求響應(yīng)。此時(shí)如果沒(méi)有找到任何網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)將申明自己為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器并建立網(wǎng)絡(luò)，并作為父節(jié)點(diǎn)接收入網(wǎng)申請(qǐng)。當(dāng)父節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)入網(wǎng)申請(qǐng)后，將根據(jù)請(qǐng)求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，若允許加入，父節(jié)點(diǎn)將發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng)并告知子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求響應(yīng)后，將獲得父節(jié)點(diǎn)分配給它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址（也稱為短地址）作為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)唯一的身份標(biāo)識(shí)。至此，節(jié)點(diǎn)將成功加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后，節(jié)點(diǎn)將作為協(xié)調(diào)器廣播信標(biāo)幀，同時(shí)接受新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求。這樣，通過(guò)一級(jí)一級(jí)的短地址分配，傳感區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)將組成簇樹的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

簇樹結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均為FFD。任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有建立網(wǎng)絡(luò)的能力，建立網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)及PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)應(yīng)著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。其它協(xié)調(diào)器可作為子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并具有加入其他未入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的能力，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。在節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的過(guò)程中，相互通信的一對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成父子關(guān)系，已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)稱為父節(jié)點(diǎn)，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)稱為它的子節(jié)點(diǎn)。

3.3系統(tǒng)測(cè)試總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)試分為硬件測(cè)試和軟件測(cè)試兩種方法。硬件測(cè)試包括：射頻部分測(cè)試、ADC測(cè)試、溫度傳感器測(cè)試、UART測(cè)試、時(shí)鐘模式測(cè)試、隨機(jī)數(shù)測(cè)試、加密解密測(cè)試、直接存儲(chǔ)測(cè)試、電源模式測(cè)試、時(shí)鐘中斷測(cè)試和外部中斷測(cè)試等，其中，射頻部分測(cè)試是最為重要的部分。軟件測(cè)試是將插上帶有射頻控制模塊的監(jiān)控設(shè)備通過(guò)USB接口連接到計(jì)算機(jī)后，配合使用一些列工具軟件實(shí)現(xiàn)一臺(tái)ZigBee數(shù)據(jù)協(xié)議分析儀的功能。

參考文獻(xiàn)：

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