一種基于ZigBee協議的無線傳感器網絡設計與應用研究

張 麗

（遼寧省本溪市機電工程學校，本溪 117000）

0 引言

ZigBee無線模塊傳感器網絡的迅猛發展，以其網絡通信復雜度低、速率低、成本低、安全系數高以及全數字化性能等優點受到人們的普遍關注，它是一種近距離、功耗低雙向無線通信技術，這一技術的應用前景非常好，未來發展空間很大，可用在家庭自動化、公寓樓宇自動化、校園無線定位、工業控制等諸多領域將成為ZigBee的主要應用領域。特別在一些舊樓宇的改造中消耗較小。嵌入在其他設備中，將Internet的協議標準與網絡傳感器網絡的協議標準相互連通，使其和ZigBee協議無線傳感器網絡兩者很好的兼容完美的結合在一起，從而擴大了人們感知世界的能力，展現了網絡帶給人們的功能強大。

1 ZigBee無線傳感器網絡系統結構

ZigBee是一種新型的低功耗無線傳感器。它的結構相當于融合了一個增強型8051單片機模塊和一個無線模塊，它可以使數千個微小的無線傳感器安全可靠實現無線通信。除了采用IEEE802.15標準外，自帶的無線通信標準，使它本身較小的能量，可以以接力的方式把無線電波從一個ZigBee傳感器數據傳到另一個模塊。ZigBee的通信效率非常高。校園管理監控無線傳感器網絡，在各管理監控區域設置了大量的微型傳感器節點組成網絡系統，通過接口端處理ZigBee協調各節點路由器通過協作感知和采集網絡覆蓋區域的信息，通過網絡傳感器傳到手機或電腦，及時反饋給觀察者。如果將其與我們工業用的以太網和GPRS/CDMA上行信道結合，而后與后臺管理主站融合，有效的解決了遠程管理問題。

ZigBee技術在IEEE802.15網絡中，根據傳感器節點數據處理、采集通信網絡系統，可將通信能力分為FFD和RFD兩類。全功能器件FFD設備之間相通，與同網絡的任何設備通信，而且存儲空間大，它是傳感器中的主控制器，它除了完成自身的管理外，可用來協調處理和存放很大的路由信息，有分組轉發功能和鏈路狀態信息管理，它能可存在于任何拓撲結構中，主要能起到網關的作用。簡化功能器件RFD，只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，功耗低，內存較小，彼此間不能協調各網絡，只能與FFD通信，可實現簡單通信，多用于星型拓撲結構中，是最基本的傳感器節點，將把捕獲取得數據信息傳遞給功能器件RFD范圍內的網關節點。

2 ZigBee無線傳感器特點

ZigBee是一種無線通信技術，傳輸率最高達250kb/s、20kb/s和40kb/s，在10-75厘米的范圍內可以繼續增強速率。它主要特點是：

功耗低。因為ZigBee的傳輸速率低，功耗也比較低，ZigBee的突出優勢是，在待機模式下，使用兩節普通5號干電池可供ZigBee模塊工作6個月到24個月左右的使用時間，或許更長。

安全性能高。采用了64位出廠代碼和AES128加密算法、AccessControlList，ACL三級安全模式，難以解密，它對數據有完整性檢查和檢驗功能，并且通過自動路由傳輸方式自動組網傳輸數據，信息傳輸的可靠性較高。

成本低、短時延。由于功耗和傳輸速率低，ZigBee協議簡單，從休眠狀態到工作狀態一般通信時延在15秒左右，節點進入網絡的時間在30秒，大大降低了電能，龐大的網絡容量將若干個子節點空載在一個主節點上管理，在主節點內設有一層網絡節點管理，能支持近66，000個網絡節點。如果接入藍牙只需8s，接入Wi-Fi只需要3s。

網絡拓撲能力強。ZigBee協議為確保各設備間正常運行，自動分配IP地址，網絡拓撲可分為星型、樹型和網狀型網絡，一個節點可管理254個子節點，能自我重建無線網絡，有效范圍廣，通過功放組建后可達到1，000m以上網絡。

3 網絡傳感器硬件平臺設計

為加強學校的管理和校園網絡建設規劃，通過技術升級和改造，以信息化和數字化為目標，利用無線傳感技術和通信技術對校園環境進行管理，建立和完善了學校以教學管理為核心的系列化校園管理應用系統和服務體系建設，實施校園管理平臺項目建設。具體包括：教務管理系統、實訓基地運行管理平臺、校企合作管理平臺、學生管理系統、人事師資管理系統、資產管理系統、行政管理平臺、綜合管理系統等。先進數字化管理手段的運用，提高了學校管理效能。學校在電子商務專業運用HTML語言與三維建模技術結合建設一個包含制造類企業與銷售類企業兩大類型企業的電子商務競爭模擬系統；3D虛擬仿真實訓系統等。

監控中心的整個網絡由若干終端設備組成，網絡管理數據監控中心由1臺計算機和多個協調器組成，它是由多個ZigBee服務的FFD組成，對所有控制的子節點通信匯集數據、發布控制或起到通信路由的作用。配置的電源模塊管理單元，通過傳感器把無線通信模塊與其他節點進行無線通信，進行收發采集數據和交換控制消息。通信設備節點設有FFD或RFD任選一種，在ZigBee節點中RFD相對簡單，只實現一組最少的ZigBee服務。監控中心網絡數據采集模塊主要負責所監測區域內信息的采集；各種傳感器可以把采集的信號轉換為數字信號，并經過傳輸發送給微處理模塊，一些附加功能要通過通用接口實現模塊相分離，在實際應用中可根據需要添加不同類型的傳感器。

智慧校園一卡通數據庫對學校固定物資采購進行統一編碼，上傳數據結構定制，數據儲存于數據庫和數據中心。通過無線傳感器網絡對校園各監控設施信息數據采集、處理發送給云計算中心，管理者可通過中心傳輸過來的數據和人員動態，很好掌握校內管理運行情況。電源、嵌人式處理器、通信部件、感知部件、軟件和存儲器組成了一個無線傳感器，設計傳感器網絡硬件主要包括，觀察者、感知對象、傳感器。傳感器通過對外界信息的目標感知對象的信息采集，傳送給無線傳感器網絡用戶，經相互協調共同完成傳感信息的接收。

4 無線傳感器網絡設計和應用

IEEE標準和ZigBee協議的無線傳感器網絡有三部分組成，分別是STIM、ZigBee和NCAP，目前有線TII接口已被IEEE結構模型的無線接口取代，在STIM和NCAP中嵌入ZigBee模塊，采用ZigBee協議實現了STIM和NCAP之間的無線數據傳輸。ZigBee協議棧分為有償和無償兩種。目前世界上最大的兩家ZigBee芯片提供商TI和Freescle都推出了符合各自生產的ZigBee芯片的協議棧。

目前，數字化校園實現了480余點的IP網絡視頻監控系統，即時將校區及各區域重點部位的地理信息呈現在平安數字校園監控中心的電視墻上。管理者可通過校園安全管理綜合監控系統，查看信息，也可增添位置傳感器，擴充現有數字視頻監控系統功能。對校園周邊環境地理信息進行采集，并對監控中心溫度、濕度等參數進行監控。同時增加對火災、水災的的集中監控和預防。實現固定資產設備的安全狀態管理。

5 結束語

本文主要介紹ZigBee無線傳感器網絡設計在數據通信方面的應用，在不同模式網絡協議下，使網絡通信的互聯互通，進而實現了以太網絡與無線傳感器網絡系統的通信控制和信息交換功能，保證校園信管理更加規范。