基于ZigBee的短距離無線通訊技術(shù)研究

李彬?陽妮

摘要：ZigBee是一種新興的短距離傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相比于藍(lán)牙技術(shù)的高功耗、高成本，ZigBee的功耗更低、成本更低，且更具有安全性。但是ZigBee技術(shù)在我國(guó)剛開始發(fā)展不久，還需要我們進(jìn)一步的探索與認(rèn)知。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳輸；系統(tǒng)

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1整體設(shè)計(jì)方案

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過傳感器將捕捉的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、ADC采樣、量化、編碼后成為數(shù)字信號(hào)，存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，或送給微處理器，或通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端進(jìn)行處理。該系統(tǒng)采用基于802.15.4規(guī)范的ZigBee技術(shù)，其工作頻率是2.405～2.480GHz，采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbit/s.系統(tǒng)主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)和ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中ZigBee基站節(jié)點(diǎn)主要用于組合從各傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)以及負(fù)責(zé)與外界的通信，該節(jié)點(diǎn)基于嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)由多個(gè)自給供電的ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單計(jì)算以及與其他節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)這種多節(jié)點(diǎn)特性使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感，組成一個(gè)容錯(cuò)性較好的采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀（PartialMesh）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在部分網(wǎng)狀里，不是所有的節(jié)點(diǎn)都和別的節(jié)點(diǎn)相連。采用部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的主要好處是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的范圍都被成倍地?cái)U(kuò)大了。而大部分短距離無線技術(shù)都有1個(gè)典型的最大范圍：10m或更短，但是部分網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)沒有最大通信距離的限制，因?yàn)樗械墓?jié)點(diǎn)都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節(jié)點(diǎn)A通過以下路徑傳送信號(hào)到ZigBee基站節(jié)點(diǎn)：A-B-ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，另一替代路徑為：A-D-C-ZigBee基站節(jié)點(diǎn)，也還有其他幾種冗余的路徑。

而要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被放在1個(gè)數(shù)據(jù)包里，數(shù)據(jù)包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)跳躍到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，直到到達(dá)ZigBee基站節(jié)點(diǎn)。然后，數(shù)據(jù)由ZigBee基站節(jié)點(diǎn)匯總并發(fā)送到PC機(jī)、服務(wù)器、局域網(wǎng)或網(wǎng)絡(luò)終端進(jìn)一步傳送。如果由于信號(hào)通道阻塞、壞節(jié)點(diǎn)或多重路徑衰減，一條路徑失敗了，信號(hào)還可找到一條或多條替代路徑。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池沒電了，它會(huì)從網(wǎng)絡(luò)中退出來，其他節(jié)點(diǎn)卻能經(jīng)由可供選擇的跳躍來轉(zhuǎn)接數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

（1）IEEE802.15.4部分。由RF芯片CC2420提供物理層和MAC層功能。

（2）上層協(xié)議。使用成熟的協(xié)議棧（可靠性和兼容性），如Z-Stack.

（3）用戶程序。根據(jù)ZigBee規(guī)范的規(guī)定，應(yīng)用各廠商提供的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)ZigBee的全部功能，進(jìn)行組網(wǎng)開發(fā)。

（4）TinyOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.2 ZigBee協(xié)議棧設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用Microchip的開源ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是ZigBee的精簡(jiǎn)協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)了大部分功能。

IEEE802.15.4—2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的2個(gè)層：物理層（PHY層）和媒介層（MAC層）。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層（NWK層）以及應(yīng)用層（APL層）的框架。APL層又包括應(yīng)用支持子層（APS），ZigBee的設(shè)備對(duì)象（ZDO）以及制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。Microchip協(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將其邏輯分為多個(gè)層。實(shí)現(xiàn)每個(gè)層的代碼位于一個(gè)獨(dú)立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序接口（API）則在頭文件中定義。每個(gè)層為緊接著的上一層定義一組容易理解的函數(shù)。要實(shí)現(xiàn)抽象性和模塊性，頂層總是通過定義完善的API和緊接著的下一層進(jìn)行交互。特定層的C頭文件（如zAPS.h）定義該層所支持的所有API.而用戶應(yīng)用程序總是與應(yīng)用編程支持層和應(yīng)用層交互。由每層提供的很多API都是簡(jiǎn)單的C語言宏，調(diào)用下一層中的函數(shù)。

2.3 ZigBee路由算法AODV

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為部分網(wǎng)狀拓?fù)浣涌冢捎肁ODV進(jìn)行路由算法。所謂AODV指的是一種在距離矢量基礎(chǔ)上的按需路由算法，對(duì)需要的路由進(jìn)行保持，對(duì)于通信過程中沒有達(dá)到目的的路由不需要節(jié)點(diǎn)維持。與源節(jié)點(diǎn)路由不同，節(jié)點(diǎn)只需要對(duì)嚇一跳記住，不用記住整個(gè)路由。所以，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各移動(dòng)節(jié)點(diǎn)自啟動(dòng)的、動(dòng)態(tài)的逐跳路由。如果鏈路斷開，受到影響的節(jié)點(diǎn)會(huì)收到AODV的通知，系統(tǒng)可確認(rèn)這些節(jié)點(diǎn)無效。對(duì)于AODV而言，其對(duì)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鏈路的破損是允許的，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇杉皶r(shí)進(jìn)行更新。

2.4 ZigBee基站節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基站節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，主要包含嵌入式系統(tǒng)TinyOS設(shè)計(jì)、硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及協(xié)議棧設(shè)計(jì)，其中協(xié)議軟件開發(fā)工具采用Z-StsckZigBee協(xié)議。作為控制中的核心設(shè)備，上位計(jì)算機(jī)必須要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡(luò)喚醒及理由維護(hù)等功能，所以在進(jìn)行上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，微軟的VisualBasic、DelPhi及C++Builder都可以作為系統(tǒng)開發(fā)的工具來應(yīng)用。本系統(tǒng)中，采用DelPhi作為上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)工具。

總結(jié)：

ZigBee是一個(gè)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)、建筑自動(dòng)化等應(yīng)用的短距離無線技術(shù)規(guī)范.ZigBee是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為滿足小型、廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的.它按高度省電要求設(shè)計(jì)，因此低功耗和較低數(shù)據(jù)傳輸率意味著不會(huì)和Wi-Fi等其它無線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，而是作為傳感路網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的性價(jià)比較高的方案。

參考文獻(xiàn)：

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