基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用

    引言

    无线网络的市场发展在逻辑上可分为而向语音的市场和面向数据的市场两类。在许多以数据传输为主的无线网络中，小型、低成本、低复杂度的无线网络的应用场合十分广泛。ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术，其网络标准由IEEE802.15.4规定。ZigBee协议比蓝牙、高速率PAN(个人局域网)或者IEEE802.11x无线局域网更加简单实用。

    1 IEEE802.15.4标准和ZigBee技术

    IEEE的无线PAN工作组制定的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础，目的是为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接。

    1.1IEEE802.15.4协议架构及其技术特点

    IEEE802.15.4满足ISO(国际标准化组织)OSI(开放系统互连)参考模式。它定义了单一的MAC(媒体访问控制)层和多样的物理层，如图1所示。

    IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS(业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型1的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层服务。

    IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868／915MHz物理层2个标准，它们都基于DSSS(直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。915／868 MHz频段是基于差分编码的BPSK(二进制相移键控)，2.4 GHz频段采用十六进制正交调制。2.4 CHz频段共有16个不同的信道为全球统一的无需申请的ISM(工业、科学、医疗)频段，采用高阶调制技术能提供250 kbit／s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更省电。868 MHz是欧洲的ISM频段，只有1个信道，915 MHz是美国的ISM频段，有10个信道，引入这2个频段避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz传输速率为20 kbit／s，916 MHz传输速率为40 kbit／s。这2个频段上无线信号传播损耗较小，因此可降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

    1.2ZigBee技术

    ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。

    ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图2所示。

    a)物理层：遵循IEEE802.15.4协议，是协议的最底层，承担着与外界直接作用的任务，控制RF收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150 m。

    b)MAC层：遵循IEEE802.15.4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。

    c)网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。

    d)应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。

    2 ZigBee的网络结构

    Zigbee支持星形网、对等网和混合网3种网络拓扑结构。图3是混合型ZigBee组网。每种网络都有各自的优点。星形网以一个功能强大的主器件作为网络的中心，负责协调全网的工作，其他的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。这种网络的控制和同步都比较简单，适用于设备数量比较少的场合。对等网又分为点对点和簇树形2种，是由主器件连接而成的。这种网络能提供更高的可靠性。星形网和对等网相结合形成了混合网，各子网内部以星形连接，主器件又以对等方式相连。这种网络适用于对网络要求最复杂的情况。一般在现实的应用环境中，混合型具有更大的实用性。

    在无线传感器网中的节点是由软件层和硬件层共同配合来实现功能的。在应用ZigBee芯片建立无线传感器网时，ZigBee芯片硬件内置物理层和MAC层的一部分功能，其他高层由外而的MPU解决，通过对MPU的写入，来实现ZigBee的高层协议。图4为节点内部结构图。

    节点应用部分装置根据监控的不同位置(比如温度、声音、振动、压力、运动或泻染物)起不同的作用。通常这些装置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它们的资源(能源、存储、计算速度和带宽)严重受限。每个节点都具备一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。这些装置互相帮助，将数据传输到一台监控计算机。

    由于大部分的节点只需要有数据传输的功能，不需要有控制能力，ZigBee技术将节点从器件上分为3类(见图3)：

    a)RFD(简化功能器件)。RFD内存小，功耗低，在网络中作为源节点，只发送与接收信号，并不起转发器／路由器的作用。

    b)FFD(全功能器件)。在网络中，FFD是具有转发与路由能力的节点，拥有足够的存储空间来存放路由信息，并且处理控制能力也相应得增强。

    c)网络主机或网关。ZigBee还支持第3种节点，即网络主机或网关节点，起到与外部系统接口或协调与其他网络的路由作用。FFD有时起网关的作用。

    一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4kB，因此网络的整体成本比较低。

    通常，底层FFD和RFD将由MCU(微控制器)控制，该MCU通过队列QSPI(串行外设接口)与ZigBee收发器相连。MCU的选择取决于该设备是否作为一个其下仍辖有ZigBee网络层的FFD。基础的RFD通常由一个8位MCU控制，但对FFD来说，根据其复杂程度及所连接的网络，其控制单元可以是8位、16位或低端的32位MCU。

    PAN协调器负责协调整个网络以及与中央控制点的通信，所以它是构建一个ZigBee网络的关键所在。对PAN协调器的关键要求包括：

    a)在更大更复杂的系统(如一个制造场所)，其中央控制点很可能超出ZigBee网络的覆盖范围，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN协调器可能需通过有线连接与中央控制点进行通信。因为以太网在工业市场的应用越来越普及，所以在大多数场合，以太网是最可能的选择。系统中以太网的应用为网络设计带来两个潜在影响：一是要考虑处理以太网接口所需的处理器带宽；二是为驱动以太网接口，网络将需要相应的底层驱动程序和协议栈，这就增加了系统内PAN控制器对程序存储器的需求。

    b)驱动整个PAN网络的通信。因为一个大的PAN网络将使通信量增加，所以PAN协调器需要更高的带宽。

    c)标记整个ZigBeePAN。PAN协调器必须存储整个网络的“地图”，并识别网络内哪些节点是FFD或RFD以及各部分的功能。对复杂的大型工业系统来说，为存储这样一张图将需要更多的存储器。

    d)具备与网络中的新节点建立动态链接的能力。在大型系统的使用周期中，系统可能需要添加新节点。PAN协调器必须能容易地与这些新节点建立连接，无论它们在网络中的任何一点，也无论它们是FFD还是RFD。此外，PAN协调器要能确定这些新节点在网络中的职责。为使PAN协调器有效地履行这种任务，它需要更大的小地程序存储器，因而也必须具备访问这些存储器的能力。

    一个基于ZigBee的WPAN(无线个域网)能支持高达254个节点，外加一个全功能器件，即可实现双向通信完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4kB或者作为Hub或路由器的协调器的32kB。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

    3 基于ZigSee芯片构建无线传感器网

    基于ZigBee芯片构建的无线传感器网是由一组ZigBee节点以AdHoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者传感器、感知对象和观察者，它们是传感器网络的3个基本要素；传感器与观察者之间的通信方式是无线，用于存传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点，传感器网络中的部分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。节点问以AdHoc方式进行通信。每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。

    基于ZigBee芯片构建的无线传感器网可以利用GSM(全球移动通信系统)网络、CDMA(码分多址)网络、以太网等来实现数据的传输与控制(见图5)，网络可以采用星形或者混合型拓扑和需求时唤醒ZigBee模块的通信方式，有效降低每个ZigBee传感器节点的功耗，减少传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率。

    中央控制中心通过网络与多个汇节点连接，汇节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点；控制中心通过网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给无线通信数据传输模块，通过网络传递给中央信息控制中心。ZigBee模块与MCU之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kB／s，MCU控制通信模块完成汇节点和中央控制中心的通信，由于传感器网络中分布着多个汇节点，因此16位MCU要利用软件中断实现对不同ID汇节点上传数据轮询扫描，使汇节点的数据可以有序、完整地通过MCU处理后传出。汇节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和网络之间的网关。

    近来旭昂成功开发出一种ZigBee转以太网模块，这种模块主要是利用ZigBee无线传感器网络采集来的信息通过TCP／IP协议上传到互联网上，无论你身处世界的那个角落，都可以通过ZigBee转以太网模块实时进行远程监控。也可以通过GSM网络，采用Sie-mens公司TC35模块作为数据传输终端，可以快速、可靠地实现传感器网络中数据的传输。利用MSP430MCU控制TC35模块完成汇节点和中央控制中心的通信。

    4 结束语

    无线传感器网络与ZigBee技术的结合有着广泛的应用前景。本文主要探讨了基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用。根据ZigBee协议提出Zig-Bee无线传感器网络节点结构，探讨经由GSM网络、CDMA网络或者以太网在更大的范围内通过ZigBee无线传感器网络达到对信息的控制和采集。这种方式在现实中具有很强的应用性。在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活方式和体验。