基于ZigBee的自愈自組網(wǎng)的設計與應用

摘要：ZigBee技術(shù)為低功耗、低成本、低復雜度、適中數據傳榆率和且具有自組織功能的無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )的組建提供了堅實(shí)的技術(shù)基礎。為了增強無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )在無(wú)人值守、遠程監控等應用中的穩定性及智能化，本文在分析ZigBee協(xié)議體系結構以及Z_Stack協(xié)議?；A上，研究了如何基于CC2530組建具有自組網(wǎng)、自愈特性的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)對無(wú)人值守的通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數的遠程實(shí)時(shí)監控的試驗，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )的自組網(wǎng)與自愈功能，增強了網(wǎng)絡(luò )的穩定性及智能化。
關(guān)鍵詞：ZigBee；自組網(wǎng)；Z_Stack；CC2530

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSN，Wireless Sensor Network)是由分布在有效區域內具有通訊功能的大量傳感器節點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式自組織形成網(wǎng)絡(luò )系統，節點(diǎn)采集信息并通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )逐級傳送到監控中。ZigBee是一種介于IEEE 802．11無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)與藍牙技術(shù)之間的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，是基于IEEE 802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應用和安全方面的通信技術(shù)。ZigBee為用戶(hù)提供了一個(gè)低成本、低功耗、低
復雜度、適中的數據傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術(shù)平臺。依據該平臺，客戶(hù)通過(guò)創(chuàng )造性的研發(fā)工作，根據具體任務(wù)要求設計硬件系統和配備相應的軟件，就可以出色地完成很多任務(wù)。
本文采用集成了ZigBee技術(shù)和增強型8051內核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構建了一個(gè)無(wú)線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )。
該無(wú)線(xiàn)測控網(wǎng)絡(luò )克服了目前一般無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的穩定性差易崩潰的缺點(diǎn)，支持星型、樹(shù)型以及網(wǎng)狀網(wǎng)的拓撲結構，除具有自組織功能外，還研發(fā)成功了自愈功能，對網(wǎng)絡(luò )的穩定性、健壯性以及提高工作效率都有重大的意義。
下面首先簡(jiǎn)述ZigBee協(xié)議和Z_Stack協(xié)議棧，重點(diǎn)論述自組網(wǎng)的設計實(shí)現、網(wǎng)絡(luò )自愈功能的研發(fā)與實(shí)現和該網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)實(shí)際應用例子：對無(wú)人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數的遠程實(shí)時(shí)監控。

1 ZigBee協(xié)議體系結構
ZigBee協(xié)議體系由稱(chēng)為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務(wù)：
即由數據服務(wù)實(shí)體提供數據傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供所有的其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)相應的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為其上層提供一個(gè)接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)完成所對應的功能。ZigBee協(xié)議體系如圖1所示。

主要由應用層(APL)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK)、媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)和物理層(PHY)組成，其中媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層和物理層是由IEEE 802．15．4標準定義的，ZigBee聯(lián)盟則定義了網(wǎng)絡(luò )層和應用層架構。物理層定義了物理無(wú)線(xiàn)信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務(wù)和物理層管理服務(wù)。媒介訪(fǎng)問(wèn)控制層負責所有的物理無(wú)線(xiàn)信道的訪(fǎng)問(wèn)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò )信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供2個(gè)對等(peer to peer)MAC之間可靠的鏈路。網(wǎng)絡(luò )層主要實(shí)現節點(diǎn)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )、接收或拋棄其他節點(diǎn)、路由查找及傳送數據等功能。應用層框架包括應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和制造商所定義的應用對象。
基于ZigBee協(xié)議應用開(kāi)發(fā)中，用戶(hù)只需實(shí)現應用層框架即可，應更多的關(guān)注應用層框架(創(chuàng )造性發(fā)揮也在這一層)。APS主要用于維持綁定表、在綁定設備之間傳送消息。ZDO主要定義設備在網(wǎng)絡(luò )中的角色(ZigBee協(xié)調器還是路由或者終端)，發(fā)起和響應綁定請求，在網(wǎng)絡(luò )設備之間建立安全機制等。
IEEE 802．15．4標準中定義了兩種設備類(lèi)型，全功能設備(FYD)與精簡(jiǎn)功能設備(RFD)。ZigBee協(xié)議也定義了這兩類(lèi)設備，ZigBee協(xié)調器相當于IEEE 802．15．4標準中的PAN協(xié)調器，ZigBee路由器擁有IEEE 802．15．4標準中協(xié)調器的功能，ZigBee終端是網(wǎng)絡(luò )中最便宜的設備，擁有最少的功能。全功能設備(FFD)在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中能完成拓撲結構中任何功能，而精簡(jiǎn)功能設備(RFD)在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中只能作為終端，且只能與全功能設備(FTD)通信。全功能設備(FFD)與精簡(jiǎn)功能設備(RFD)硬件配置是可以完全相同，但在軟件的配置上不同。
網(wǎng)絡(luò )拓撲結構由ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )層決定，且必須是IEEE 802．15．4標準中定義的兩種類(lèi)型之一：星型網(wǎng)絡(luò )和對等型網(wǎng)絡(luò )。在星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構中，協(xié)調器建網(wǎng)與路由數據的功能，終端節點(diǎn)通過(guò)協(xié)調器進(jìn)行通信。在對等網(wǎng)絡(luò )中，所有的節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )范圍內都可以進(jìn)行通信，所有的節點(diǎn)都參與數據傳遞。因此網(wǎng)絡(luò )能夠自組織以及通過(guò)多跳方式來(lái)進(jìn)行通信(這也為實(shí)現自愈功能提供了必要的基礎)。