ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究

摘要：現(xiàn)階段，無線傳感技術(shù)種類繁多，ZigBee技術(shù)作為一項(xiàng)低能耗、高速度、低成本、易組網(wǎng)的新型無線傳感技術(shù)，將Zig-Bee技術(shù)引入至無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，可極大水平拓寬無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。本文首先介紹了ZigBee技術(shù)的內(nèi)涵特點(diǎn)，然后探討了Zigbee技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用，以期促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展完善提供一些參考。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);無線傳感網(wǎng)絡(luò);應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）36-0222-02

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是經(jīng)由部署于監(jiān)控區(qū)域的一系列傳感器節(jié)點(diǎn)采集基本數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)相互協(xié)調(diào)合作、自組織的信息采集、信息傳輸、信息處理的一種綜合智能信息網(wǎng)絡(luò)，表現(xiàn)出良好的發(fā)展應(yīng)用前景，也是近年來頗受關(guān)注的一個(gè)領(lǐng)域。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，及無線傳感器節(jié)點(diǎn)處理速度、信息采集、功耗等的不斷改善，無線傳感網(wǎng)絡(luò)亦在不斷發(fā)展，近年來得以在農(nóng)業(yè)、物流、交通、智能家居等行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛推廣，并且伴隨物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷推進(jìn)，應(yīng)用成本的不斷降低，無線傳感網(wǎng)絡(luò)勢必將得到更為廣泛的應(yīng)用。

1 ZigBee技術(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)生成的一項(xiàng)應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)顯得更為高效便捷。作為一項(xiàng)低能耗、高速度、低成本、易組網(wǎng)的新型無線傳感技術(shù)，ZigBee技術(shù)其關(guān)于組網(wǎng)、安全及應(yīng)用軟件方面的技術(shù)是基于IEEE批準(zhǔn)的802 15.4無線標(biāo)準(zhǔn)[1]。這一技術(shù)主要適用于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程管理，并且可十分便捷地在各式各樣固定式、便攜式移動(dòng)終端中開展安裝，同時(shí)，ZigBee技術(shù)還可實(shí)現(xiàn)GPS功能。近年來，ZigBee技術(shù)被應(yīng)用于越來越多的行業(yè)領(lǐng)域，諸如工業(yè)控制、建筑自動(dòng)化、智能設(shè)備管理、商業(yè)管制等，表現(xiàn)出十分廣闊的發(fā)展前景。

1.2 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee作為一項(xiàng)新型的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所無法實(shí)現(xiàn)的諸多功能，即為不僅可實(shí)現(xiàn)近距離操作，還可很大程度上降低能耗。好比，在藍(lán)牙等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)可降低應(yīng)用成本，雖然數(shù)據(jù)處理的速率有待進(jìn)一步提高，當(dāng)時(shí)后者更為便利，可作為廣大用戶的理想選擇[2]。對(duì)于ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)來說，主要包括有：其一，ZigBee技術(shù)應(yīng)用能耗低。一般來說，ZigBee技術(shù)開展傳輸處理過程中所需的功率為1mW。如果ZigBee進(jìn)入休眠狀態(tài)，則其所需的功率將更低。舉例而言，通過為裝置有ZigBee的設(shè)備配備兩節(jié)常規(guī)電池，該設(shè)備便可持續(xù)運(yùn)行6個(gè)月左有的時(shí)間。其二，ZigBee研發(fā)應(yīng)用所需投入的成本低。當(dāng)前，ZigBee技術(shù)的成本普遍不需要交付專利費(fèi)。一般而言，應(yīng)用ZigBee技術(shù)只需要在最開始交付6美元，接下來的各項(xiàng)實(shí)際操作便不需要投入更高的成本。這便表明了，ZigBee技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用成本可為廣大用戶所接受。其三，ZigBee技術(shù)應(yīng)用安全可靠。ZigBee技術(shù)可實(shí)現(xiàn)十分可靠的檢測功能，并且在應(yīng)用ZigBee技術(shù)過程中需要進(jìn)行反復(fù)的檢驗(yàn)流程。在該種情況下，可很大程度上保證切ZigBee技術(shù)應(yīng)用的安全可靠性。并且，ZigBee技術(shù)在信息傳輸時(shí)可保證數(shù)據(jù)流的相對(duì)平行性，也就是說，ZigBee技術(shù)可為信息數(shù)據(jù)創(chuàng)造良好的傳輸空間。其四，ZigBee技術(shù)不僅可提供龐大的網(wǎng)絡(luò)容量，還可節(jié)約時(shí)間成本。基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，不僅配備有一個(gè)主設(shè)備，還設(shè)置有大量的輔助性設(shè)備，這樣為ZigBee技術(shù)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)容量的超大額度提供了可靠保障。除此之外，Zig-Bee設(shè)備不僅擁有極大的網(wǎng)絡(luò)容量，還可節(jié)約時(shí)間成本。通常而言，ZigBee技術(shù)在開展搜索過程中用時(shí)僅需30ms，通過是處在休眠狀態(tài)下，進(jìn)入工作狀態(tài)則只需l5ms[3]。綜上，ZigBee技術(shù)是一項(xiàng)低能耗、低成本、安全可靠、大容量、低時(shí)延等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

2 Zigbee技術(shù)在無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用

2.1無線傳感器硬件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要包括節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等部分，其中，依據(jù)硬件設(shè)備功能、層面的區(qū)別，可將其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分成管理節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)、用戶界面等部分;而節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)依據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)組成元件的功能差異，可將其劃分為通信模塊、傳感裝置、數(shù)據(jù)處理單元、供電設(shè)備等部分。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，通信模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)的有效連接，且主要作用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行傳輸、接收，通信模塊的選擇重要影響著無線傳感器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量;傳感裝置主要作用于對(duì)相關(guān)信息數(shù)據(jù)開展采集;數(shù)據(jù)處理單元主要作用于對(duì)節(jié)點(diǎn)采集的信息開展分析處理，并且可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的調(diào)控，該部分也是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重要核心;供電設(shè)備不論是技術(shù)層面還是結(jié)構(gòu)層面均較為簡單，供電通常以常規(guī)電池為主，不過供電設(shè)備性能很大程度影響著整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)，所以在選擇供電設(shè)備時(shí)應(yīng)盡可能選取續(xù)航能力可靠且性能穩(wěn)定的供電設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧主要由物理層、媒體介質(zhì)訪問層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等協(xié)議層構(gòu)成，其中，物理層可發(fā)揮接口作用，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)及管理服務(wù)。媒體介質(zhì)訪問層主要作用于處理各項(xiàng)物理無線信道訪問，并輸出網(wǎng)絡(luò)信號(hào)及同步信號(hào);支持個(gè)人區(qū)域網(wǎng)的連接、分離，建立兩個(gè)對(duì)等媒體介質(zhì)訪問層實(shí)體相互間可靠的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的核心部分，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接、斷開網(wǎng)絡(luò)連接、路由傳輸及數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗泄δ埽⒖芍С中切危⊿tar）、網(wǎng)狀形（Mesh）以及簇樹形（ClusterTree）等一系列拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4]。應(yīng)用層同樣作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的重要組成部分，是每一位參與開發(fā)的程序員一致使用及遵守的準(zhǔn)則，程序員以此為基礎(chǔ)開展擴(kuò)展，并始終確保程序在主體結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一性。該協(xié)議層主要作用于提供相關(guān)必要函數(shù)，為網(wǎng)絡(luò)層提供可靠的服務(wù)接口，并開展應(yīng)用對(duì)象定義工作。

2.2無線傳感器軟件設(shè)計(jì)

通常情況下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳感節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)普遍采用體積相對(duì)小的嵌入式系統(tǒng)，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器軟件開發(fā)環(huán)境選取集成的開發(fā)環(huán)境，ZigBee無線模塊的軟件設(shè)計(jì)是依托操作系統(tǒng)開展建立的，借助事件輪詢機(jī)制，在系統(tǒng)每一層處于初始化階段，系統(tǒng)處在低功耗模式下，等到事件激發(fā)后，系統(tǒng)開始運(yùn)行，并轉(zhuǎn)至中斷處理事件，在事件結(jié)束后，系統(tǒng)又一次轉(zhuǎn)至低功耗模式。倘若多個(gè)事件被激發(fā)，則系統(tǒng)會(huì)依據(jù)優(yōu)先級(jí)評(píng)定來對(duì)各個(gè)事件開展處理。對(duì)于嵌入式操作系統(tǒng)的軟件架構(gòu)工作流程而言，第一步為開啟系統(tǒng)，緊接著開展驅(qū)動(dòng)的初始化、操作系統(tǒng)抽象層初始化，并將它們開啟，進(jìn)而轉(zhuǎn)至事件的輪詢階段。

1）協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)節(jié)器作為一種啟動(dòng)、配置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，主要作用于構(gòu)建ZigBee無線傳感網(wǎng)，并對(duì)ZigBee無線傳感網(wǎng)開展管理工作。在有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提出申請(qǐng)，以期加入ZigBee無線傳感網(wǎng)中，這一過程協(xié)調(diào)器可白動(dòng)通過加入申請(qǐng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)之間的通信。另外，協(xié)調(diào)器可對(duì)終端節(jié)點(diǎn)傳輸進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的電壓數(shù)據(jù)開展全面采集，并經(jīng)由串口將采集的電壓數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)將控制命令傳輸至協(xié)調(diào)器，調(diào)節(jié)器在接收到控制命令后，再將命令傳輸至各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)接收到命令后進(jìn)而做出相關(guān)的處理反應(yīng)。

2）路由器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，路由器作為一項(xiàng)支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，作用主用于將信息數(shù)據(jù)傳輸至其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)路由功能。ZigBee設(shè)備的地址類型可分為64位IEEE地址和16位網(wǎng)絡(luò)地址兩種。ZigBee無線傳感網(wǎng)分配網(wǎng)絡(luò)地址的編址方案主要為分布式編址方案，這一方案可確保在整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)被分配的網(wǎng)絡(luò)地址均是獨(dú)一無二的[5]。

3）終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)主要作用于采集電源電壓數(shù)據(jù)，并將電源電壓數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器，同時(shí)可接收到來自協(xié)調(diào)器的控制命令，終端節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集/保護(hù)模塊中繼電器、蜂鳴器的有效控制，并結(jié)合接收到的命令做出相關(guān)處理反應(yīng)。終端節(jié)點(diǎn)憑借自身授權(quán)身份進(jìn)入無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，與協(xié)調(diào)器構(gòu)建綁定關(guān)系，形成綁定關(guān)系后，即便沒有傳輸數(shù)據(jù)的目的地址，終點(diǎn)節(jié)點(diǎn)也可將其傳輸至目的端。

3 Zigbee技術(shù)的發(fā)展趨勢

伴隨物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，射頻識(shí)別技術(shù)、近距離無線通訊技術(shù)等技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)一系列場景中得到廣泛推廣。與此同時(shí)，伴隨智能傳感器的不斷豐富，要求ZigBee該種可提供低功耗.網(wǎng)絡(luò)管理便捷、安全可靠的技術(shù)來開展高效、低成本的傳輸控制。然而現(xiàn)階段，ZigBee技術(shù)應(yīng)用不論是其終端種類還是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上，相較于射頻識(shí)別技術(shù)、近距離無線通訊技術(shù)依舊存在不小的差距。在ZigBee聯(lián)盟以及IEEE802 15.4的不斷推進(jìn)新，ZigBee技術(shù)憑借一系列優(yōu)勢特點(diǎn)，結(jié)合其他無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)覆蓋面廣泛的網(wǎng)絡(luò)智能互聯(lián)。該項(xiàng)技術(shù)不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、環(huán)境等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值，在未來還可深入推廣至社會(huì)大眾日常生活的各個(gè)領(lǐng)域[6]。

4結(jié)束語

總而言之，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近年來人們廣泛關(guān)注的一大焦點(diǎn)，但其存在應(yīng)用范圍較為狹窄的問題。推進(jìn)ZigBee技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合應(yīng)用，可借助高速網(wǎng)絡(luò)低能耗終端，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的全面采集，并保證信息傳輸速度，進(jìn)一步提升無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景，滿足社會(huì)大眾的多元需求。因此，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)圍繞如何有效開展ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行探索研究，進(jìn)而促進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展完善。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-15

作者簡介：劉志強(qiáng)（198 4-），男，江西安遠(yuǎn)人，碩士，江西理工大學(xué)信息工程學(xué)院，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)。