基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構建與應用

引言

　　無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為而向語(yǔ)音的市場(chǎng)和面向數據的市場(chǎng)兩類(lèi)。在許多以數據傳輸為主的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，小型、低成本、低復雜度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的應用場(chǎng)合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò )標準由IEEE 802.15.4規定。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE 802.11x無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

1 IEEE 802.15.4標準和ZigBee技術(shù)

　　IEEE的無(wú)線(xiàn)PAN工作組制定的IEEE 802.15.4技術(shù)標準是ZigBee技術(shù)的基礎，目的是為低能耗的簡(jiǎn)單設備提供有效覆蓋范圍在10 m左右的低速連接。

1.1 IEEE 802.15.4協(xié)議架構及其技術(shù)特點(diǎn)

　　IEEE 802.15.4滿(mǎn)足ISO(國際標準化組織)OSI(開(kāi)放系統互連)參考模式。它定義了單一的MAC(媒體訪(fǎng)問(wèn)控制)層和多樣的物理層，如圖1所示。

　　IEEE 802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過(guò)SSCS(業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì )聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類(lèi)型1的LLC標準，同時(shí)允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4的MAC層服務(wù)。

　　IEEE 802.15.4定義了2.4 GHz物理層和868／915 MHz物理層2個(gè)標準，它們都基于DSSS(直接序列擴頻)，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術(shù)、擴頻碼片長(cháng)度和傳輸速率。915／868 MHz頻段是基于差分編碼的BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)，2.4 GHz頻段采用十六進(jìn)制正交調制。2.4 CHz頻段共有16個(gè)不同的信道為全球統一的無(wú)需申請的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫療)頻段，采用高階調制技術(shù)能提供250 kbit／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更省電。868 MHz是歐洲的ISM頻段，只有1個(gè)信道，915 MHz是美國的ISM頻段，有10個(gè)信道，引入這2個(gè)頻段避免了2.4 GHz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設備的相互干擾。868 MHz傳輸速率為20 kbit／s，916 MHz傳輸速率為40 kbit／s。這2個(gè)頻段上無(wú)線(xiàn)信號傳播損耗較小，因此可降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。

1.2 ZigBee技術(shù)

　　ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。

　　ZigBee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成，如圖2所示。

a) 物理層：遵循IEEE 802.15.4協(xié)議，是協(xié)議的最底層，承擔著(zhù)與外界直接作用的任務(wù)，控制RF收發(fā)器工作，采用擴頻通信，信號傳輸距離為室內50 m，室外150 m。

b) MAC層：遵循IEEE 802.15.4協(xié)議，負責設備間無(wú)線(xiàn)數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )中每個(gè)設備為16位地址尋址。

c) 網(wǎng)絡(luò )層：建立新的網(wǎng)絡(luò )，處理節點(diǎn)的進(jìn)入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，根據網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型設置節點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器對節點(diǎn)分配地址，保證節點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò )的路由，保證數據的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。

d) 應用層：應用支持層維持器件的功能屬性，發(fā)現該器件工作空間中其他器件的工作，根據服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信，根據具體應用由用戶(hù)開(kāi)發(fā)。

2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò )結構

　　Zigbee支持星形網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。圖3是混合型ZigBee組網(wǎng)。每種網(wǎng)絡(luò )都有各自的優(yōu)點(diǎn)。星形網(wǎng)以一個(gè)功能強大的主器件作為網(wǎng)絡(luò )的中心，負責協(xié)調全網(wǎng)的工作，其他的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內。這種網(wǎng)絡(luò )的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，適用于設備數量比較少的場(chǎng)合。對等網(wǎng)又分為點(diǎn)對點(diǎn)和簇樹(shù)形2種，是由主器件連接而成的。這種網(wǎng)絡(luò )能提供更高的可靠性。星形網(wǎng)和對等網(wǎng)相結合形成了混合網(wǎng)，各子網(wǎng)內部以星形連接，主器件又以對等方式相連。這種網(wǎng)絡(luò )適用于對網(wǎng)絡(luò )要求最復雜的情況。一般在現實(shí)的應用環(huán)境中，混合型具有更大的實(shí)用性。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)中的節點(diǎn)是由軟件層和硬件層共同配合來(lái)實(shí)現功能的。在應用ZigBee芯片建立無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)時(shí)，ZigBee芯片硬件內置物理層和MAC層的一部分功能，其他高層由外而的MPU解決，通過(guò)對MPU的寫(xiě)入，來(lái)實(shí)現ZigBee的高層協(xié)議。圖4為節點(diǎn)內部結構圖。

　　節點(diǎn)應用部分裝置根據監控的不同位置(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運動(dòng)或瀉染物)起不同的作用。通常這些裝置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它們的資源(能源、存儲、計算速度和帶寬)嚴重受限。每個(gè)節點(diǎn)都具備一個(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源(通常為電池)。這些裝置互相幫助，將數據傳輸到一臺監控計算機。

　　由于大部分的節點(diǎn)只需要有數據傳輸的功能，不需要有控制能力，ZigBee技術(shù)將節點(diǎn)從器件上分為3類(lèi)(見(jiàn)圖3)：

a) RFD(簡(jiǎn)化功能器件)。RFD內存小，功耗低，在網(wǎng)絡(luò )中作為源節點(diǎn)，只發(fā)送與接收信號，并不起轉發(fā)器／路由器的作用。

b) FFD(全功能器件)。在網(wǎng)絡(luò )中，FFD是具有轉發(fā)與路由能力的節點(diǎn)，擁有足夠的存儲空間來(lái)存放路由信息，并且處理控制能力也相應得增強。

c) 網(wǎng)絡(luò )主機或網(wǎng)關(guān)。ZigBee還支持第3種節點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò )主機或網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，起到與外部系統接口或協(xié)調與其他網(wǎng)絡(luò )的路由作用。FFD有時(shí)起網(wǎng)關(guān)的作用。

　　一個(gè)網(wǎng)絡(luò )只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價(jià)格要比FFD便宜得多，其占用系統資源僅約為4 kB，因此網(wǎng)絡(luò )的整體成本比較低。

　　通常，底層FFD和RFD將由MCU(微控制器)控制，該MCU通過(guò)隊列QSPI(串行外設接口)與ZigBee收發(fā)器相連。MCU的選擇取決于該設備是否作為一個(gè)其下仍轄有ZigBee網(wǎng)絡(luò )層的FFD?；A的RFD通常由一個(gè)8位MCU控制，但對FFD來(lái)說(shuō)，根據其復雜程度及所連接的網(wǎng)絡(luò )，其控制單元可以是8位、16位或低端的32位MCU。

PAN協(xié)調器負責協(xié)調整個(gè)網(wǎng)絡(luò )以及與中央控制點(diǎn)的通信，所以它是構建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )的關(guān)鍵所在。對PAN協(xié)調器的關(guān)鍵要求包括：

a) 在更大更復雜的系統(如一個(gè)制造場(chǎng)所)，其中央控制點(diǎn)很可能超出ZigBee網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN協(xié)調器可能需通過(guò)有線(xiàn)連接與中央控制點(diǎn)進(jìn)行通信。因為以太網(wǎng)在工業(yè)市場(chǎng)的應用越來(lái)越普及，所以在大多數場(chǎng)合，以太網(wǎng)是最可能的選擇。系統中以太網(wǎng)的應用為網(wǎng)絡(luò )設計帶來(lái)兩個(gè)潛在影響：一是要考慮處理以太網(wǎng)接口所需的處理器帶寬；二是為驅動(dòng)以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡(luò )將需要相應的底層驅動(dòng)程序和協(xié)議棧，這就增加了系統內PAN控制器對程序存儲器的需求。

b) 驅動(dòng)整個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò )的通信。因為一個(gè)大的PAN網(wǎng)絡(luò )將使通信量增加，所以PAN協(xié)調器需要更高的帶寬。

c) 標記整個(gè)ZigBee PAN。PAN協(xié)調器必須存儲整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的“地圖”，并識別網(wǎng)絡(luò )內哪些節點(diǎn)是FFD或RFD以及各部分的功能。對復雜的大型工業(yè)系統來(lái)說(shuō)，為存儲這樣一張圖將需要更多的存儲器。

d) 具備與網(wǎng)絡(luò )中的新節點(diǎn)建立動(dòng)態(tài)鏈接的能力。在大型系統的使用周期中，系統可能需要添加新節點(diǎn)。PAN協(xié)調器必須能容易地與這些新節點(diǎn)建立連接，無(wú)論它們在網(wǎng)絡(luò )中的任何一點(diǎn)，也無(wú)論它們是FFD還是RFD。此外，PAN協(xié)調器要能確定這些新節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的職責。為使PAN協(xié)調器有效地履行這種任務(wù)，它需要更大的小地程序存儲器，因而也必須具備訪(fǎng)問(wèn)這些存儲器的能力。

　　一個(gè)基于ZigBee的WPAN(無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng))能支持高達254個(gè)節點(diǎn)，外加一個(gè)全功能器件，即可實(shí)現雙向通信完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設備的基本節點(diǎn)的4 kB或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32 kB。每個(gè)協(xié)調器可連接多達255個(gè)節點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，對路由傳輸的數目則沒(méi)有限制。

3 基于ZigSee芯片構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)

　　基于ZigBee芯片構建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)是由一組ZigBee節點(diǎn)以Ad Hoc方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò )覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀(guān)察者傳感器、感知對象和觀(guān)察者，它們是傳感器網(wǎng)絡(luò )的3個(gè)基本要素；傳感器與觀(guān)察者之間的通信方式是無(wú)線(xiàn)，用于存傳感器與觀(guān)察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò )的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò )中的部分或全部節點(diǎn)可以移動(dòng)，傳感器網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構也會(huì )隨著(zhù)節點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節點(diǎn)問(wèn)以Ad Hoc方式進(jìn)行通信。每個(gè)節點(diǎn)都可以充當路由器的角色，并且每個(gè)節點(diǎn)都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。

　　基于ZigBee芯片構建的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)可以利用GSM(全球移動(dòng)通信系統)網(wǎng)絡(luò )、CDMA(碼分多址)網(wǎng)絡(luò )、以太網(wǎng)等來(lái)實(shí)現數據的傳輸與控制(見(jiàn)圖5)，網(wǎng)絡(luò )可以采用星形或者混合型拓撲和需求時(shí)喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低每個(gè)ZigBee傳感器節點(diǎn)的功耗，減少傳感器節點(diǎn)向匯節點(diǎn)上報數據時(shí)相互碰撞的概率。

　　中央控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò )與多個(gè)匯節點(diǎn)連接，匯節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點(diǎn)；控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò )獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現對現場(chǎng)的有效控制和管理。分布在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的匯節點(diǎn)主要用于接收傳感器節點(diǎn)的數據上報，并將其進(jìn)行融合處理，傳給無(wú)線(xiàn)通信數據傳輸模塊，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳遞給中央信息控制中心。ZigBee模塊與MCU之間的連接是通過(guò)異步串行口實(shí)現的，它們之間的通信速度為38.4 kB／s，MCU控制通信模塊完成匯節點(diǎn)和中央控制中心的通信，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中分布著(zhù)多個(gè)匯節點(diǎn)，因此16位MCU要利用軟件中斷實(shí)現對不同ID匯節點(diǎn)上傳數據輪詢(xún)掃描，使匯節點(diǎn)的數據可以有序、完整地通過(guò)MCU處理后傳出。匯節點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò )中充當的是傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)關(guān)。

　　近來(lái)旭昂成功開(kāi)發(fā)出一種ZigBee轉以太網(wǎng)模塊，這種模塊主要是利用 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采集來(lái)的信息通過(guò)TCP／IP協(xié)議上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，無(wú)論你身處世界的那個(gè)角落，都可以通過(guò)ZigBee轉以太網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行遠程監控。也可以通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )，采用Sie-mens公司TC35模塊作為數據傳輸終端，可以快速、可靠地實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )中數據的傳輸。利用MSP430MCU控制TC35模塊完成匯節點(diǎn)和中央控制中心的通信。

4 結束語(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與ZigBee技術(shù)的結合有著(zhù)廣泛的應用前景。本文主要探討了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構建與應用。根據ZigBee協(xié)議提出Zig-Bee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構，探討經(jīng)由GSM網(wǎng)絡(luò )、CDMA網(wǎng)絡(luò )或者以太網(wǎng)在更大的范圍內通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )達到對信息的控制和采集。這種方式在現實(shí)中具有很強的應用性。在不遠的將來(lái)，將有越來(lái)越多的內置式ZigBee功能的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。