Zigbee無線組網技術的研究

馮艷如 孫運強

(中北大學 太原 030051)

0 引言

目前，短距離無線通信技術已成為無線通信技術的一個重要分支，這是因為在現實生活中，存在著許多這樣的應用情況，系統所傳輸的數據通常為小量的突發信號，即數據特征為數據量小，要求進行實時傳送，所以我們提出來zigbee 技術，它是一組基于IEEE 批準通過的802.15.4 無線標準研制開發的，zigbee 主要用在短距離無線控制系統，傳輸少量的控制信息，例如，在智能家居領域中，zigbee 可以用來傳輸控制燈亮或燈滅的控制信息。基于zigbee 的無線網絡所使用的工作頻段為868MHz、915MHz、2.4GHz，最大數據傳輸速率為250kbps。

現在ZigBee 技術已經成為研究的新熱點，其彌補了短距離無線通信技術應用研究的空白，該在不久的未來，基于ZigBee 技術的產品將會將同計算機、互聯網一樣融入人們生活的每一個角落，給人們的生活帶來方便和快捷。

1 cc2530 簡介

進行zigbee2007 無線網絡的開發，需要有相關的硬件和軟件，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 接口是方便用戶進行AD 采樣實驗，RS232 接口是串口通信電路接口，可以方便用戶進行串口實驗，在zigbee 網絡實驗過程中，可以使用串口輸出相應的數據，仿真接口可以實現程序的在線仿真、調試、下載功能，天線接口用于實現無線信號的接收，圖1 為cc2530-EB 開發板硬件圖。

圖1 cc2530-EB 開發板硬件圖

2 zigbee 介紹

Zigbee 是一種短距離雙向的無線通信技術，技術特點可以概括為四低，低復雜度，低功耗，低數據速率和低成本，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。Zigbee 的協議棧采用的是OSI分層結構，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，而網絡層和應用層由zigbee 聯盟制定，在Zigbee 協議規范中，應用層(APL)分為三個部分，應用支持子層、設備配置層和用戶自己開發的應用程序。

Zigbee 是以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，為降低成本，系統中大部分的節點為子節點，從組網通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備;而另外還有一些節點，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備(也稱為協調器)，如下圖所示:

協調器節點作為zigbee 網絡的核心節點，每個zigbee 傳感器網絡都必須具有唯一的協調器節點設備，在zigbee 網絡中起到了主導作用，由FFD 設備實現協調器功能，協調器設備在整個網絡中的作用是網絡的建立者和管理者，負責信道的選擇、網絡的建立和節點的加入或退出。

3 zigbee 組網研究

當建立一個新的網絡時，必須告知協調器如何創建源端點和目標端點之間的鏈路。ZigBee 協議定義了一個稱為端點綁定的特殊過程。作為綁定過程的一部分，一個遠程網絡或一個類似于設備管理器的節點會請求協調器修改其綁定表。協調器節點維護一個基本上包含兩個或多個端點之間的邏輯鏈路的綁定表。每個鏈路根據其源端點和群集ID 來唯一定義。收到設備請求接入網絡命令，網絡協調器判斷是否允許其加入自己的網絡。若同意，為設備分配該網絡一個地址，可以是該網絡中獨一無二的16 位短地址，也可以是設備本身的64 位長地址。圖2 為星型網絡組建流程圖。

圖2 星型網絡組建流程圖

Zigbee 組網過程中，所有節點都使用CC2530芯片作為中央處理芯片，改芯片集成了一個加強型的8051 單片機，在研究過程中使用IAR Embedded Workbench 作為節點設備的軟件開發平臺。TI公司為ZigBee 技術的開發人員提供了幵源的Z-stack協議棧，在此協議棧上進行ZigBee 應用的開發能夠有效縮短開周期、提高開發效率。IAR 軟件開發環境如圖3所示。

圖3 IAR 軟件開發環境

通常只有網絡協調器才能建立一個新的無線傳感器網絡。協調器可通過向網絡層發送網絡形成請求原語請求建立新網絡，收到請求原語后，網絡層管理實體會向MAC 子層請求對某一指定通道或是默認的可利用通道進行能量檢測掃描，掃描的結果將通過MAC 子層回復的掃描確認原語被返回。

若返回的結果為能量檢測掃描成功，網絡層管理實體會根據能量測試的結果，拋棄那些能量值在可接受標準之上的通道。接著，網絡管理實體第二次發布掃描請求原語進行主動掃描。通過主動掃描即可完成對其他Zigbee 設備的查找。為了確定建立新網絡的最佳通道，網絡層管理實體將審查返回的個域網描述符表，并找出ID 表中編號最低的通道。網絡協調器建立了新的網絡后，可允許其他設備加入到網絡中。若協調器想將其他新設備加入到網絡中，可通過向網絡層發布允許加入請求原語來啟動加入操作。

4 結語

無線組網通信是當今工業控制、計算機應用、家庭自動化等方面技術發展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網絡要求令Zigbee 應運而生;高度集成化的軟、硬件架構和產品，也使應用人員如虎添翼，更快、更方便地進行最終產品設計。這些顯示出Zigbee 具有超強的生命力和優勢，應用前景十分看好。

［1］董海濤，屈玉貴，趙保華.ZigBee 無線傳感器網絡平臺的設計與實現［J］，計算機技術與應用.2007，(12):124-126.

［2］林子敬.基于ZigBee 技術的無線傳感器網絡研究與實現［D］.中國科學技術大學碩士學位論文，2009:90-110.

［3］金純、羅祖秋.zigbee 技術基礎及案例分析［M］.北京:國防工業出版社.2008:70-80.

［4］高守瑋，吳燦陽.ZigBee 技術實踐教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社.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，Fang 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 技術簡介［J］.電力系統通信，2006，27(165):54-56.