基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種重要的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，正逐漸被應(yīng)用于人們的生活中。文章詳細(xì)介紹了ZigBee協(xié)議和數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要作用，分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體構(gòu)架，包括傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)等組成部分。通過具體的應(yīng)用場景，如智能家居、醫(yī)療護(hù)理和目標(biāo)追蹤定位，總結(jié)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生活中的廣泛應(yīng)用前景。文章旨在幫助研究人員了解無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域，并為在相關(guān)領(lǐng)域研究中提供了新的思路和解決方案。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；無線通信

中圖分類號：TN92；TP212.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種多學(xué)科交叉的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)功能多元，可監(jiān)測多種環(huán)境信息，如溫度、氣壓、氣體濃度等。此外，低功耗、低成本的特點(diǎn)使其適用于無人值守的環(huán)境。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，用戶可以實(shí)時采集監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)，對終端設(shè)備進(jìn)行智能控制，提高了用戶管理的便利性。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)分析

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種無線傳輸協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)在于低功耗、低速率和低成本，因此適用于物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景。ZigBee協(xié)議支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，如星型、樹型、網(wǎng)狀型等，具有很強(qiáng)的自組織能力，能夠自動調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的變化。另外，ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，能夠滿足家庭智能化應(yīng)用的要求。

1.2 數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)

數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起到重要作用，確保用戶隱私數(shù)據(jù)的安全性。根據(jù)加密算法、密鑰長度以及密鑰管理方式的不同，數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)可被劃分為2種類型：一種是以AES為代表的對稱加密算法；另一種是以RSA為代表的非對稱加密算法。2種數(shù)據(jù)安全加密技術(shù)具有不同的特點(diǎn)和適用范圍［1］。由于AES加密算法具有高效性、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，因此基于128位的AES加密算法是目前應(yīng)用最為廣泛的數(shù)據(jù)傳輸加密方案。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體構(gòu)架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、ZigBee網(wǎng)關(guān)、控制中心4個主要部分組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。這4個部分相互協(xié)作，構(gòu)建起無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對環(huán)境信息的實(shí)時監(jiān)測、傳輸和智能化管理。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)的采集和處理。傳感器節(jié)點(diǎn)主要包括軟件系統(tǒng)、傳感器模塊、微控制器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊5個部分，如圖2所示。

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊包括傳感器和AD/DA模塊。傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)信息的采集，其類型的選擇取決于被監(jiān)測的物理信號的形式；AD/DA模塊則負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號類型的轉(zhuǎn)換，以滿足傳感器數(shù)據(jù)與微控制器之間的接口要求。

傳感器模塊通常用于采集監(jiān)測區(qū)域的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照、氣體濃度等多種數(shù)據(jù)。其中，傳感器模塊的選擇直接影響數(shù)據(jù)采集的精度和穩(wěn)定性，目前使用較多的有DHT22溫濕度傳感器、BH1750光照傳感器和MQ-2氣體傳感器等。

2.1.2 微控制器模塊

微控制器模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心控制模塊，包含處理器和存儲器，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理和存儲。例如，STM32F103C8T6單片機(jī)作為微控制器模塊，常用的硬件資源是72 MHz主頻、64 KB閃存、20 KB RAM等，并且支持多種外設(shè)接口，包括SPI、I2C、USART等。

微控制器模塊采用裸機(jī)編程方式，通過GPIO口、外部中斷、定時器等方式實(shí)現(xiàn)傳感器模塊和無線通信模塊的控制和通信。實(shí)現(xiàn)過程包括：微控制器模塊讀取傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行校驗(yàn)和處理；微控制器模塊通過無線通信模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；微控制器模塊定時更新實(shí)時時鐘、檢測傳感器節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等。

2.1.3 無線通信模塊

無線通信模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)與其他節(jié)點(diǎn)之間的通信橋梁，負(fù)責(zé)交換控制信息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)傳輸通常占據(jù)節(jié)點(diǎn)總能耗的大部分，因此在系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)中，研究人員通常采用短距離、低功耗的無線通信模塊。例如：基于CC2530芯片的ZigBee無線通信模塊具有良好的兼容性和穩(wěn)定性，能夠有效地支持ZigBee協(xié)議的無線通信。

無線通信模塊通過UART接口與微控制器模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，無線通信模塊通過無線信道將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，并支持廣播和單播方式。在接收數(shù)據(jù)時，無線通信模塊從信道中接收數(shù)據(jù)，并通過UART接口傳輸給微控制器模塊進(jìn)行處理和存儲。

2.2 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)的功能主要包括數(shù)據(jù)中繼、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和路徑選擇等。通過強(qiáng)大的數(shù)據(jù)中繼能力，路由節(jié)點(diǎn)有助于將數(shù)據(jù)傳輸至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)；同時，其負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，路由節(jié)點(diǎn)會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛿?shù)據(jù)傳輸需求，選擇最合適的路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以確保網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

2.3 ZigBee網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，主要承擔(dān)協(xié)調(diào)器的職能。網(wǎng)關(guān)設(shè)備負(fù)責(zé)管理和組建整個網(wǎng)絡(luò)，包括地址分配、身份認(rèn)證等，并且需要協(xié)調(diào)和處理傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的采集數(shù)據(jù)。

當(dāng)涉及不同協(xié)議間的設(shè)備通信時，網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠連接并轉(zhuǎn)換不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同通信協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的通信和數(shù)據(jù)交換。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)支持多種通信協(xié)議，能夠與不同設(shè)備進(jìn)行通信和集成。例如：處于工作狀態(tài)的傳感器采集節(jié)點(diǎn)會將節(jié)點(diǎn)地址信息和采集區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測數(shù)據(jù)打包成ZigBee數(shù)據(jù)幀，發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。接著網(wǎng)關(guān)通過ZigBee協(xié)議棧的解封裝，獲得原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。隨后系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過 TCP/IP 協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)的連接［2］。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)主要體現(xiàn)在其組網(wǎng)的過程，包括節(jié)點(diǎn)初始化、信道掃描、網(wǎng)絡(luò)編號設(shè)置、節(jié)點(diǎn)加入等步驟。這一過程實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的建立和拓展，為環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、傳輸和智能控制奠定了基礎(chǔ)，進(jìn)而支持了智能家居、環(huán)境監(jiān)測等功能的實(shí)現(xiàn)。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的具體流程如下。（1）信道掃描與路徑選擇：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電激活后，對可用的信道進(jìn)行掃描，并選擇干擾最小的信道作為通信路徑。（2）初始化網(wǎng)絡(luò)編號：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在選定通信路徑后，會初始化一個唯一的網(wǎng)絡(luò)編號（PANID），并通過廣播形式發(fā)送信標(biāo)幀。（3）終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)：系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)上電后會主動搜索周圍網(wǎng)絡(luò)中的信標(biāo)幀，當(dāng)檢測到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)幀時，終端節(jié)點(diǎn)會向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求。（4）協(xié)調(diào)器處理入網(wǎng)請求：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到入網(wǎng)請求后，會檢查當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的地址資源是否充足。如果資源足夠，協(xié)調(diào)器會為終端節(jié)點(diǎn)分配一個16 Bit的短地址，并向其發(fā)送連接成功的響應(yīng)幀。（5）終端節(jié)點(diǎn)加入確認(rèn)：終端節(jié)點(diǎn)接收到連接成功的響應(yīng)幀后，即成功加入網(wǎng)絡(luò)。如未成功，終端節(jié)點(diǎn)則會重復(fù)上述流程，直至成功加入［3］。

4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景

4.1 智能家居

近年來，隨著智能家居全球化的加速發(fā)展，人們對日常生活的智能化水平的要求越來越高，目前的智能家居擁有更大范圍的控制功能，包括智能分析判斷、人機(jī)智能對話等。例如：基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居相較于傳統(tǒng)智能家居設(shè)備，在管理過程中的安全性、便利性、高效性等方面具有革命性的進(jìn)步與提升。通過在家電中嵌入傳感器節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)能夠?qū)⑽輧?nèi)所有的設(shè)備互聯(lián)，組成小型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，為人們提供更加舒適方便的智能家居環(huán)境［4］。

在智能家居場景下，用戶可以通過手機(jī)App實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制功能，包括照明控制、溫度控制、安防監(jiān)控等。在具體的實(shí)現(xiàn)過程中，傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集家庭中的環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過無線通信的方式，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至控制中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理和分析，控制中心節(jié)點(diǎn)根據(jù)分析結(jié)果自動控制家居設(shè)備的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了家居設(shè)備的智能化控制。

4.2 醫(yī)療護(hù)理

目前，傳統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理體系存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作煩瑣的問題，許多環(huán)節(jié)仍需人工操作。如何搭建有效的醫(yī)療護(hù)理系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)適合采集人體健康數(shù)據(jù)的傳感節(jié)點(diǎn)，是當(dāng)前研究人員面臨的主要挑戰(zhàn)。為解決以上問題，研究人員應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建立與設(shè)計(jì)。研究人員將傳感器節(jié)點(diǎn)安裝在病人的體內(nèi)，節(jié)點(diǎn)實(shí)時向醫(yī)護(hù)人員匯報(bào)病人的身體狀況信息，幫助醫(yī)護(hù)人員遠(yuǎn)程診斷，并采取對應(yīng)的醫(yī)療措施。這種應(yīng)用能夠有效降低醫(yī)療成本，解決地區(qū)間醫(yī)療資源匱乏等問題，在城鄉(xiāng)醫(yī)療護(hù)理建設(shè)發(fā)展過程中發(fā)揮著重要作用。

4.3 目標(biāo)追蹤定位

通過在目標(biāo)周圍部署傳感器節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的實(shí)時監(jiān)測、追蹤和定位。這些傳感器節(jié)點(diǎn)可以收集目標(biāo)的位置、速度、方向等信息，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至中心節(jié)點(diǎn)或監(jiān)控中心進(jìn)行處理和分析。在軍事領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常用于敵方目標(biāo)的偵察、監(jiān)視和追蹤，為作戰(zhàn)指揮提供重要情報(bào)支持。在安防領(lǐng)域，人們可以利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對物品、車輛或人員的監(jiān)控和追蹤，以提高目標(biāo)的安全性和防范能力。此外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可應(yīng)用于物流領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)貨物的實(shí)時追蹤和管理，提高物流運(yùn)輸效率。

5 結(jié)語

該研究通過對ZigBee協(xié)議、數(shù)據(jù)安全加密算法等核心技術(shù)的總結(jié)分析，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)流程，深入探討了其在智能家居、醫(yī)療護(hù)理和目標(biāo)追蹤定位等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高效采集、傳輸和智能控制，為提升生活質(zhì)量和解決實(shí)際問題提供了新的思路和解決方案。未來，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和應(yīng)用場景的擴(kuò)展，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將在更多領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，推動相關(guān)行業(yè)智能化和自動化的發(fā)展進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)

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Research on application of wireless sensor network based on ZigBee technology

Abstract：With the continuous development of information technology， wireless sensor networks， as an important Internet of Things technology， are gradually being applied to people’s lives. This paper introduces the important role of ZigBee protocol and data security encryption technology in wireless sensor networks in detail， and analyses the overall architecture of the wireless sensor network system， including components such as sensor nodes， routing nodes and ZigBee gateways. The prospect of wireless sensor networks for a wide range of applications in real life is summarized through specific application scenarios， such as smart home， medical care and target tracking and positioning. This paper aims to help researchers understand wireless sensor network technology and its application areas， and to provide new ideas and solutions in related research fields.

Key words： ZigBee technology; Internet of Things; transducers; wireless communications