ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用探討

王思華，鄭樹強(qiáng)，丁軼華

(太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術(shù)部，山西 太原 030027)

0 引言

通信系統(tǒng)包括光纖通信、衛(wèi)星通信和微波等分系統(tǒng)。長途光纜采用架空和地埋的方式，容易被車輛、洪水和人為等外力損傷；衛(wèi)通、微波等分系統(tǒng)的室外單元處于暴露環(huán)境，經(jīng)受日曬、雨淋和冰凍等侵蝕，容易出現(xiàn)設(shè)備性能下降甚至損壞的風(fēng)險；機(jī)動到遠(yuǎn)端站點(diǎn)的衛(wèi)通車沒有充足的技術(shù)支援和更多備份件的保障；無人值守機(jī)房完全依靠維護(hù)人員定期的保養(yǎng)，出現(xiàn)失火、非法闖入等異常情況難以及時發(fā)現(xiàn)。這些都是通信系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，雖然采取了部分機(jī)房部署動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，雨季及施工期加強(qiáng)巡線檢查等措施，但部分措施如巡線檢查等，耗費(fèi)人力較大，且實(shí)時性較差。

為了全面提升通信系統(tǒng)可靠性，迫切需要對這些薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)測，判斷是否存在火災(zāi)隱患，設(shè)備是否被雨水浸泡，室外線纜接口、關(guān)鍵部件是否有結(jié)露、結(jié)冰現(xiàn)象，無人機(jī)房是否有非法人員入侵。及時發(fā)現(xiàn)隱患，采取相應(yīng)措施進(jìn)行預(yù)防或處理。

1 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1.1 微型傳感器

信息的采集需要傳感器。考慮到要盡可能對原有設(shè)備、線路的影響降到最低，要求傳感器體積盡可能小、功耗盡可能低，可采用MEMS微型傳感器。MEMS微型傳感器集信號采集、處理和控制功能于一體，面積大多在1 mm2以下[1-2]。

1.2 ZigBee技術(shù)

傳感器獲取的信息向外傳遞，可通過有線或無線通信方式。由于傳感器部署相對分散、且部署位置有時需臨機(jī)調(diào)整，因此，信息傳遞首選靈活、便捷的無線通信方式。

ZigBee是一種低速率、低成本、近距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)[3]，可工作于2.4 GHz，915 MHz，868 MHz三個頻段，最高傳輸速率分別為250，40，20 kbps[4-5]。ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)間傳輸距離一般在75 m以內(nèi)，通過選用大功率芯片實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間1.5 km及以上距離的傳輸[6]。ZigBee設(shè)備根據(jù)功能可分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備3類。協(xié)調(diào)器在每個網(wǎng)絡(luò)中只有一個，負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)；路由器是中繼節(jié)點(diǎn)，可以路由尋址并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端設(shè)備負(fù)責(zé)發(fā)送和接收信息[7]。

1.3 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)是由監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的微型傳感器，通過ZigBee通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。在某些節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重受損或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因故發(fā)生變化時，可迅速調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以維持通信[8]。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。

圖1 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)組成

監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過ZigBee終端沿著路由器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后到協(xié)調(diào)器，經(jīng)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)外部網(wǎng)絡(luò)。

傳感器節(jié)點(diǎn)是ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，一般包括功能模塊、控制模塊、無線通信模塊以及能量供應(yīng)模塊[9]。功能模塊完成監(jiān)測信息的采集和數(shù)據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換等；控制模塊負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)與路由器進(jìn)行通信；能量供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)提供各模塊工作所需能量[10]。傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器是連接傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的紐帶，它一方面保證來自上層相關(guān)指令的傳遞，另一方面保證獲取的數(shù)據(jù)信息上傳至網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡(luò)管理。數(shù)據(jù)服務(wù)器用于監(jiān)控并管理傳感器網(wǎng)絡(luò)[11]。

2 應(yīng)用探討

2.1 傳感器選擇及布設(shè)

微型傳感器類型多樣，可探測包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動物體的大小和速度等周邊環(huán)境的多種現(xiàn)象[12]。單位通信系統(tǒng)需要監(jiān)測的環(huán)節(jié)包括工作環(huán)境惡劣的室外單元、易損的光電纜、易受周邊安全因素影響的衛(wèi)通車及無人機(jī)房。因此，傳感器應(yīng)選擇結(jié)冰傳感器、張力傳感器、紅外、煙霧、水浸、溫度和濕度等傳感器。

傳感器布設(shè)的位置和數(shù)量需要根據(jù)監(jiān)測對象和應(yīng)用場景確定。在衛(wèi)通天線伺服機(jī)構(gòu)的絲杠處可布設(shè)結(jié)冰傳感器，通過采集數(shù)據(jù)能夠判斷是否存在結(jié)冰影響天線轉(zhuǎn)動。在天線饋源附近和室外線纜接頭處布設(shè)水浸傳感器，能夠判斷是否存在露水或被水浸泡，防止影響通信質(zhì)量的事情發(fā)生。在架空電纜和光纜表面帖附張力傳感器，可以監(jiān)測到刮風(fēng)、車掛等外部力量對光纜和電纜的牽拉力量，從而可預(yù)估出電纜和光纜損壞的可能性。機(jī)動到遠(yuǎn)端點(diǎn)的衛(wèi)通車和平常無人值守的遠(yuǎn)端通信點(diǎn)可布設(shè)門禁、煙霧、溫度、水浸和濕度等傳感器，及時判斷機(jī)房或設(shè)備是否著火、被水淹和被偷盜等情況。

2.2 ZigBee傳感器局域網(wǎng)構(gòu)建

由于單位通信系統(tǒng)點(diǎn)多、線長、面廣，需要布放的傳感器數(shù)量多、范圍廣。為簡便起見，可依托現(xiàn)有各通信站點(diǎn)，在傳感器布放相對集中的區(qū)域構(gòu)建ZigBee傳感器局域網(wǎng)，各局域網(wǎng)信息再通過外部廣域網(wǎng)傳遞到數(shù)據(jù)服務(wù)器。

ZigBee傳感器局域網(wǎng)包括一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和若干傳感器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)揮雙重作用，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)本局域網(wǎng)的自動建立、維護(hù)；二是作為局域網(wǎng)與外部網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接口[13]。

傳感器與ZigBee模塊的通信可使用Jennic公司的JN5139芯片。JN5139芯片集成了用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的完全兼容的2.4 GHz收發(fā)器、微控制器、192 KB ROM、96 KB RAM以及豐富的外設(shè)。采用JN5139芯片，可通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)[14-15]。

2.3 IP網(wǎng)絡(luò)接入

傳感器采集的信息需通過外部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器，考慮到單位通信系統(tǒng)點(diǎn)多、線長、面廣，專門部署外部網(wǎng)絡(luò)成本較高。目前單位IP網(wǎng)已覆蓋通信系統(tǒng)各站點(diǎn)，故可考慮將傳感器采集的信息通過無線局域網(wǎng)就近接入單位IP網(wǎng)。單位IP網(wǎng)帶寬較寬，傳感器采集的信息數(shù)據(jù)量很小，接入單位IP網(wǎng)產(chǎn)生的流量不會影響到單位IP網(wǎng)原有業(yè)務(wù)的傳輸。

2.4 安全

為了安全，防止無線信息向外泄漏，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)信息傳輸時進(jìn)行加密。通常的ZigBee網(wǎng)絡(luò)都采用高安全性的AES對稱密碼進(jìn)行信息加密，能夠確保信息傳輸?shù)陌踩浴?/p>

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)之間傳輸信息時，可以考慮加入防火墻、防病毒網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。

3 結(jié)束語

依托已覆蓋單位各通信站點(diǎn)的IP網(wǎng)，ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)能監(jiān)測到薄弱環(huán)節(jié)并將監(jiān)測信息匯總到數(shù)據(jù)服務(wù)器，一旦發(fā)現(xiàn)隱患或異常可及時處置。隨著無線網(wǎng)絡(luò)及微型傳感器技術(shù)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)的組織將更加靈活，接入將更加便捷和標(biāo)準(zhǔn)化。結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一定會在單位環(huán)境監(jiān)測、設(shè)施設(shè)備可靠性分析等方面得到更廣泛的應(yīng)用。