基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉裕舸

摘要：在科技發(fā)展的推動(dòng)下，基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，所以，本文在對(duì)Zigbee技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，對(duì)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。由于采用Zigbee技術(shù)所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有容量大、投入成本低、穩(wěn)定性高以及功耗低的特點(diǎn)，所以在應(yīng)用中得到了非常廣泛的使用，特別是在各種新技術(shù)的發(fā)展，將更好地為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)服務(wù)。

關(guān)鍵詞：Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2014）12-0047-01

1 引言

現(xiàn)在，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用得到了廣大發(fā)展，逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)、軍事作戰(zhàn)以及科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域中的新型技術(shù)，也取得了令人矚目的研究成果。對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以將其理解為將各種功能不同的微型傳感器進(jìn)行科學(xué)合理布設(shè)，使得其覆蓋的區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)信息和數(shù)據(jù)的檢測(cè)與采集，這樣，經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)和規(guī)劃的傳感器就可以根據(jù)環(huán)境的變化和具體情況執(zhí)行各種命令，完成數(shù)據(jù)收集和檢測(cè)的功能。

2 ZigBee技術(shù)概述

作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)雙向通信的無線技術(shù)，Zigbee具有功耗小、作用距離短、復(fù)雜度較低和穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)。現(xiàn)在，人們普遍將Zigbee技術(shù)應(yīng)用于各種工業(yè)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，以及自動(dòng)化的信息和數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域。對(duì)于Zigbee技術(shù)，其在不同的工作頻段上，傳輸速率并不相同，所以，根據(jù)頻段的不同，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器其作用距離在10米到75米的范圍內(nèi)，實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

概括起來，基于Zigbee的無線傳感器通訊技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，比如穩(wěn)定性和安全性較高，網(wǎng)絡(luò)的信息容量也比較大，需要投入的成本較小等。在無線傳感器網(wǎng)路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)中，通常為了能夠使系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，人們?cè)O(shè)計(jì)了碰撞避免策略，還構(gòu)建了專用的通訊通道來保證網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定，這樣，就可以有效防止數(shù)據(jù)傳輸過程中所出現(xiàn)的各種沖突，提高數(shù)據(jù)傳輸正確率。在具體的數(shù)據(jù)通訊過程中，Zigbee網(wǎng)路中的時(shí)延較短，只需要15ms的時(shí)間就可以從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換為激活狀態(tài)。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備功耗，由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速率相對(duì)較低，所以，利用市面上的5號(hào)電池就可以為設(shè)備提高長(zhǎng)達(dá)半年到兩年的持續(xù)供電，有效避免頻繁更換電池給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行造成的問題。

3 ZigBee技術(shù)中的硬件及網(wǎng)絡(luò)

在現(xiàn)有的Zigbee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系中，可以根據(jù)各種識(shí)別的功能和作用，將其劃分成不同過得類型，分別是Zigbee協(xié)調(diào)器、Zigbee路由器以及Zigbee終端設(shè)備等。通常，Zigbee系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器與路由器主要通過全能型的設(shè)備完成配置，而其終端設(shè)備則主要通過一些精簡(jiǎn)型的設(shè)備來配置。在這幾種設(shè)備中，Zigbee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與維護(hù)，所以，一個(gè)不完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中通常只有一個(gè)協(xié)調(diào)器；相應(yīng)的，Zigbee路由器則主要作為中繼節(jié)點(diǎn)的角色來使用，可以完成數(shù)據(jù)傳輸路徑的優(yōu)化與轉(zhuǎn)發(fā)過程；對(duì)于Zigbee終端設(shè)備，其功能則比較單一，主要作用就是完成數(shù)據(jù)的發(fā)展與接收。在下面的圖1中，給出了Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)硬件節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。

其實(shí)，在具體的應(yīng)用環(huán)境中，還需要根據(jù)實(shí)際需要，對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行靈活部署，所采用的部署方式和結(jié)構(gòu)也就多種多樣。比如，如果采用星型網(wǎng)絡(luò)的部署方式，則網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都能夠與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，所以，在此類網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，需要確保網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電力供應(yīng)不能中斷，經(jīng)常需要采用持續(xù)的電源，而系統(tǒng)中的其他設(shè)備則可以采用電池供電的方式滿足電力需求。如果采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，則只需要網(wǎng)絡(luò)中的相鄰設(shè)備之間能夠正常通信和接收無線信號(hào)即可，所以，在系統(tǒng)內(nèi)部的任何兩個(gè)設(shè)備之間，都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與通訊。

4 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

在對(duì)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)其中所采用的各種硬件和軟件進(jìn)行綜合考慮。其中，硬件主要作用是為軟件的存在提供運(yùn)用平臺(tái)，而系統(tǒng)則需要通過軟件來控制硬件的運(yùn)行。

對(duì)于處理器的選擇，可以根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來確定，比如RISC處理器、ARM處理器等。針對(duì)應(yīng)用規(guī)模較小的情況，可以采用LPCZ系列微處理器，主要是由于這種微處理器的功耗和尺寸都比較小。此外，為了能夠確保LPCZ微處理器完成通訊網(wǎng)關(guān)與協(xié)議轉(zhuǎn)換等多種信息處理功能，需要利用UART和SPI與SSP來構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的通訊接口。

在規(guī)劃的硬件基礎(chǔ)上，需要對(duì)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件系統(tǒng)進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)。通常，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的軟件主要包括嵌入式系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧以及其他的應(yīng)用程序等。其中，通過高效的嵌入式操作系統(tǒng)，可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)調(diào)用、隊(duì)列管理和中斷處理的高效執(zhí)行。程序的具體設(shè)計(jì)過程可以包括多個(gè)模塊，比如協(xié)議棧、調(diào)度和公共模塊等。其中，協(xié)議棧模塊可以實(shí)現(xiàn)與Zigbee協(xié)議的結(jié)構(gòu)匹配，而調(diào)度模塊的作用則主要是為不同的任務(wù)調(diào)用提供匹配的協(xié)議分析模塊。

5 結(jié)語

本文中，重點(diǎn)對(duì)基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行針對(duì)性分析與研究，其主要目的是設(shè)計(jì)一種技術(shù)先進(jìn)，且部署經(jīng)濟(jì)、成本可控的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

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