基于ZigBee的選擇性組網無線通信技術研究

呂偉

【摘要】 本文首先分析了以ZigBee技術為核心的無線傳感器網絡的相關技術，然后設計并實現了無線傳感器網絡選擇性組網系統，最后在選擇性組網和系統性能方面做了相關測試，測試表明本系統可以實現選擇性組網功能。

【關鍵詞】 無線傳感器網絡 ZigBee 選擇性組網

一、背景

無線傳感器網絡是目前IT行業研究的熱門課題，以無線傳感器網絡技術為核心的物聯網，市場規模巨大，應用環境多種多樣。在實際生活中無線傳感器網絡的廣泛應用，尤其是其在智能家居、環境監測、智能交通和城市數字化建設等領域的實際的和潛在的應用價值，使得許多科研機構投入了大量的物力和人力，促進了這種技術的快速發展。采用ZigBee 技術來組建無線傳感器網絡，具有功耗低、自愈能力和自我組織功能，實時采集監測所需的各種數據信息，為獲取監測對象信息提供很好的平臺。當無線傳感器網絡在同一區域內若存在多個網絡時，協調器無法建立有特定標志的網絡，終端節點也無法有選擇性的加入特定網絡，很可能造成組網混亂，為此有必要研究并設計一套有選擇性的組網系統，實現無線傳感器網絡的選擇性組網功能。

二、ZigBee關鍵技術分析

2.1 無線通信技術分析

目前常用的近距離無線通信技術有藍牙、Wi-Fi、UWB以及 ZigBee等。ZigBee技術的傳輸數據速率通常在20kbps-250kbps之間，傳輸距離通常在10米-100米之間，具有低功耗、低成本、網絡容量大等優點，主要用于實現無線傳感器網絡中通信功能。

（1）ZigBee 技術簡介

ZigBee通信頻段和信道分析。IEEE 802.15.4規定了物理層的868MHz 、915MHz、2.4GHz 3個頻段，規定了27個信道，各頻段都免執照使用，三個頻段的數據傳輸速率、信道個數、使用區域和調制解調方式各不相同。其中2.4GHz頻段是全球通用頻段，傳輸速率250 kbps，有信道16個，調制解調方式采用直接序列擴頻和偏移正交相移鍵控，其信道的標準頻率是通過公式Fc=2045NHz+5（k-11）MHz，（k= 11，12，13 26）進行計算。

ZigBee協議棧分析。ZigBee 協議棧分主要分為四層：物理層、媒體訪問控制子層、網絡層和應用層。每一層的除了負責完成本層協議的任務，同時為上一層提供服務。

（2）網絡拓撲結構分析

網絡設備。在無線傳感器網絡中網絡設備主要包括：協調器、路由器和終端三種設備。協調器主要功能是建立一個網絡號唯一的網絡。路由器主要功能是對數據和命令進行路由的選擇。終端節點主要功能是接收命令或將采集的數據信息上傳，只需要加入已建成的網絡即可，它本身不具有路由和網絡維護功能。

拓撲結構。無線傳感器網絡中常用的拓撲結構有三種：星型網、樹型網和網狀網。星型網絡呈現出一個輻射狀系統，協調器處于網絡中心。星型網的優點是：結構簡單，組網方便。樹型網的拓撲復雜度介于網狀網和星型網之間。網狀網實現了網絡的自愈、多跳和自組織的功能，但其協議復雜，對硬件要求高。本系統選擇采用星型網絡拓撲來搭建網絡。

2.2無線通信芯片選型

目前世界上有很多生產ZigBee無線芯片的制造公司，通過對市場上比較主流的四家公司的芯片在接收靈敏度、最大發射功率等方面進行對比分析，可以看出CC2530芯片能夠滿足實驗環境的需要，并且芯片功耗較小，它的這些性能與其他制造公司的芯片相比，具有很大的優勢。因此本系統選擇TI 公司的CC2530芯片。

2.3 CC2530常用功能

電源管理。終端節點在數據發送和數據接收，以及空閑狀態時的能耗較高，而在休眠時的能耗較低。由于數據發送和數據接收是不可避免的，所以在空閑時若終端節點能進入睡眠狀態就可以很好的降低功耗。

時鐘管理。CC2530芯片內部有一個主時鐘源，主時鐘源既可以采用片內的16MHz RC振蕩器，也可采用外部的32MHz晶體振蕩器。由于本系統主要涉及RF收發功能，而內部6MHz RC振蕩器雖然耗電量小，但是不能用于RF收發功能，所以本系統采用外部32MHz晶體振蕩器作為主時鐘源。

定時器。由CC2530使用手冊可知，它有4個通用定時器、1個睡眠定時器和1個看門狗定時器。通用定時器T1/T2/T3/T4。其中T2定時器被系統使用，用戶不能使用，可供用戶的定時器是T1/T3/T4，定時器的定時功能都基于計數器建立。

中斷處理。CC2530有18個中斷源，常用的有Timer1中斷T1、睡眠定時器（Sleep Timer）中斷ST、看門狗定時器（Watchdog Timer）中斷WDT、RF通用中斷RF和串口接收中斷USART0。

存儲器管理。CC2530芯片里有兩種類型的物理存儲設備：SRAM和FLASH，映射為四種不同的存儲空間，CODE存儲空間、DATA存儲空間、 XDATA 存儲空間、SFR存儲空間。本系統使用的CC2530芯片型號是F256，它共分為8個bank。

三、選擇性組網設計與實現

在本文中，選擇性組網是指定的節點只能加入指定的協調器網絡。選擇性通信協議是指為實現選擇性組網而定義的一套含有標志字段的通信協議。在選擇性通信協議中有網絡標志字段，它是網絡的標志屬性，能夠區別不同類型的網絡類別。當傳感器節點在尋找網絡的時候，依據網絡標志段有選擇的加入網絡，從而實現有選擇性的組網。

3.1 協調器建立網絡

協調器建立網絡過程是：（1）硬件初始化。（2）協調器確定網絡號。（3）廣播網絡標志幀。（4）等待終端節點加入。協調器上電初始化設備后，搜索信道n 秒，若是周圍不存在網絡，則取出本協調器的物理地址后四位作為本網絡的網絡號；若周圍存在網絡，且是不同類型網絡，則用本協調器的物理地址后四位作為本網絡的網絡號，若是同類型的網絡，并且網絡號和本協調器物理地址后四位不相同時，用本協調器的物理地址后四位作為本網絡的網絡號，若相同，則取最大網絡號加1作為本網絡的網絡號。協調器不間斷的向外廣播網絡標志幀，同時監聽是否有終端節點入網申請，若有則判斷幀的標志段，若是同類型網絡，則允許入網，分配網絡地址，回送確認幀，保存節點信息至上位機，若不是，則不予處理。協調器建立網絡流程如下圖所示。

其中，FCF為幀控制域字段，長度為2字節。PANID為網絡號字段，長度為1字節；Broad_addr為廣播地址，長度為2字節，值為十六進制FFFF；Sour_addr為源地址，即協調器的網絡地址，長度為2字節，值為十六進制0000；Flag為標志字段，長度為10字節，是網絡的特定標志。

3.2 協調器工作階段

協調器在工作階段有三種功能，一是接收網絡中節點數據，二是處理新節點的加入，三是不間斷廣播網絡標志幀。（1）協調器接收數據。協調器收到數據幀后，判斷幀中網絡號是否與自己網絡號相同，若相同，回送數據確認幀，并取出幀中數據字段，及節點短地址，組織數據包，傳送給上位機。否則，不予處理。（2）協調器處理新節點加入。協調器在接收網絡節點數據的同時，可能有新的節點申請加入網絡。收到節點入網申請幀后，判斷幀中是否是同類型網絡，若是同類型網絡，則分配網絡地址，回送確認幀，保存節點信息至上位機。若不是，則不予處理。（3）廣播網絡標志幀。協調器在接收網絡節點數據、處理新節點加入的同時，還不間斷的廣播網絡標志幀。

3.3 終端節點加入網絡

終端節點加入網絡過程是：（1）硬件初始化。（2）搜索信道找出最近同類型網絡。初始化后，在定長時間段內（搜索信道時間），終端節點搜索信道，接收分析數據包，判斷是否為同類型網絡，若是計算出網絡信號強度，若不是則不予處理，搜索信道時間結束，取出網絡信號強度最大的網絡號，設置為自己的網絡號，并申請加入。（3）申請加入網絡。確定了要加入的網絡后，向該網絡的協調器發送入網申請。（4）等待確認。終端節點發出入網申請后，等待協調器的響應幀，收到響應后，則判斷幀中的特定域值是否是自己的MAC地址，若是則取出幀中特定字段值作為本節點的網絡短地址；若不是，則重發入網申請，直至入網成功。終端節點入網流程圖如下圖所示。

3.4 終端節點工作階段

當終端節點加入網絡成功后，即進入工作階段。當終端節點進入工作階段后，首先進行數據的采集發送任務，完成后，進入低功耗休眠模式，當休眠預設時間間隔到時，睡眠定時器喚醒終端節點，進行相應的數據采集發送任務，當收到協調器回應的數據確認幀后，則說明此次任務完成，進入到低功耗休眠模式；若收不協調器回應的數據確認幀，需繼續數據的采集發送任務，當重發次數大于預設的閾值時，則節點重啟系統，重新加入網絡；若沒有大于預設閾值時，需重新采集發送數據，至到收到協調器的數據確認幀為止。

四、系統測試分析

為了驗證本系統的無線傳感器網絡系統的標志性信息的有效性和系統傳輸性能，對本網絡系統進行一些性能測試，主要是對選擇性組網性能和系統傳輸性能進行測試，其中選擇性組網性能測試包括同類型網絡組網測試、不同類型網絡組網測試、混合類型網絡組網測試等，測試表明同一區域內特定節點可以正確加入特定網絡。在系統傳輸性能上，主要包括丟包率測試、入網延遲測試、節點能耗測試、網絡穩定性等測試，測試表明，在丟包率、入網延遲、節點能耗上，本系統的選擇性組網能夠順利實現，但在網絡穩定性上有待改進。

五、小結

通過研究分析ZigBee協議棧和無線傳感器網絡技術，翻閱參考相應的CC2530芯片使用手冊，利用IAR 開發環境，本文研究設計了一種選擇性組網無線傳感器網絡系統。此系統是基于 ZigBee 技術，選用CC2530 芯片設計軟硬件的星型網絡。在系統運行中，終端節點負責定時采集和發送數據，并通過無線網絡把采集的數據傳送給協調器，協調器負責把各終端節點傳送來的數據處理后通過串口傳送給上位機。通過測試，明本系統能夠實現可靠的選擇性網，達到了研究和設計的目標。

參 考 文 獻

[1]翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京航空航天大學出版社，2007.

[2]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網絡設計與實現[M].化學工業出版社，2012.

[3] Texas Instruments. CC253x User Guide[Z]. http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.