Ｚｉｇｂｅｅ星形傳感器網絡實驗系統設計與實現

武俊鵬　孫建國　張國印

文章編號：1672-5913(2009)10-0178-02

摘要：基于Zigbee的星形傳感器實驗是計算機網絡實驗教學中不可或缺的一部分，通過該實驗可以讓學生更好的掌握無線傳感器網絡的實驗原理和物理結構，本文從構建傳感器網絡入手，系統講述了Zigbee星形網絡的設計思路，利用該網絡可以完成日常的無線網絡實驗教學。

關鍵詞：Zigbee；傳感器；網絡實驗

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

1技術介紹

IEEE 802.15.4/ZigBee協議是由IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層再加上ZigBee的網絡和應用支持層所組成的，其突出的特點是網絡系統支持極低成本、易實現、可*的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。該標準一出現就引起了業界的廣泛重視，短短一年多的時間內便有上百家集成電路、運營商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發成立了若干聯盟。

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

2ZigBee協議組成

ZigBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。

(1) 物理層：遵循IEEE802.15.4協議，是協議的最底層，承擔著與外界直接作用的任務，控制RF收發器工作，采用擴頻通信，信號傳輸距離為室內50m，室外150m。

(2)MAC層：遵循IEEE802.15.4協議，負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，可選時隙，實現低延遲傳輸，支持各種網絡拓撲結構，網絡中每個設備為16位地址尋址。

(3) 網絡層：建立新的網絡，處理節點的進入和離開網絡，根據網絡類型設置節點的協議堆棧，使網絡協調器對節點分配地址，保證節點之間的同步，提供網絡的路由，保證數據的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。

(4) 應用層：應用支持層維持器件的功能屬性，發現該器件工作空間中其他器件的工作，根據服務和需求使多個器件之間進行通信，根據具體應用由用戶開發。

3無線傳感器網絡特點

無線傳感器網絡有如下特點：

(1) 低速率，傳感器網絡通常只需定期傳輸諸如溫度、濕度之類的傳感器數據，數據量小，采集數據頻率低；

(2) 近距離，兩個傳感器節點之間的距離通常在幾十米到幾百米之間；

(3) 低功耗，傳感器網絡節點體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區域廣，環境復雜，有些區域甚至人員無法到達，通過更換電池的方式來補充能量是不現實的，因此要求節點具有極低的功耗；

(4) 網絡容量大，要求網絡能夠容納上千甚至上萬的節點；

(5) 動態組網，傳感器網絡地處復雜的地理環境，環境干擾和能量的耗盡，容易造成節點故障，因此要求傳感器網絡具有自組織、自愈特性，即動態組網功能；

(6) 低成本，傳感器網絡節點多，一旦布置到監測區域后，就不再回收，因此要求成本低廉。

4ZigBee的網絡結構

Zigbee支持星形網、對等網和混合網3種網絡拓撲結構。每種網絡都有各自的優點。星形網以一個功能強大的主器件作為網絡的中心，負責協調全網的工作，其他的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內。這種網絡的控制和同步都比較簡單，適用于設備數量比較少的場合。對等網又分為點對點和簇樹形兩種，是由主器件連接而成的。這種網絡能提供更高的可靠性。星形網和對等網相結合形成了混合網，各子網內部以星形連接，主器件又以對等方式相連。這種網絡適用于對網絡要求最復雜的情況。一般在現實的應用環境中，混合型具有更大的實用性。在無線傳感器網中的節點是由軟件層和硬件層共同配合來實現功能的。

5網絡的搭建

由于Zigbee線傳感器星形網絡的搭建簡單，易于維護等優點，在實際應用中得到了廣泛的應用。下面著重介紹星形傳感器網絡的搭建。該網絡由若干個ZigBee終端節點和一個中心節點構成一個星型網絡，終端節點主要負責各個傳感器模塊的信息采集和傳送。中心節點主要用于接收各個終端節點的上傳數據，并對其進行壓縮處理后通過擴展接口傳送至服務器端。如圖1-1所示：

ZigBee網絡的建立是有序的。每個節點都有唯一的MAC地址，這是通過預編程設定的。ZigBee有一套地址分配機制保證地址不會重復。網絡一旦建立，拓撲關系和網絡地址就會保存在各自節點的Flash中。網絡建立后，各節點就可以通過各自的網絡地址進行通訊了。

我們實驗時的ZigBee終端節點采用CC2430模塊，該模塊中采用CC2430芯片，它包括了一個高性能的2.4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發器核心和一顆工業級小巧高效的8051控制器。通過此模塊的通用I/O接口擴展串口模塊，能夠接收多個傳感器模塊，具有良好的可擴展性。

節點中采用ZigBee 2004協議，該協議支持自組網絡，并且在應用層具有較好的接口。在發送信息前，該模塊先通過初始化函數radioInit(UINT32 frequency, BYTE localAddress)獲得自身的十六位地址BYTE remoteAddress，然后通過發送函數radioSend(BYTE* transmitData, WORD dataLength, BYTE remoteAddress, BYTE doAck)生成網絡的請求信號。如果該節點的的地址在中心節點中有備案，則允許其加該入無線網絡。當收到應答信號后，節點將以字符串的形式將信息上傳到中心模塊。終端節點的軟件流程如圖1-2所示：

傳感器模塊采用51單片機控制，通過擴展串口與采集模塊相連，其主要負責接收和處理采集數據。該系統中傳感器采用的是數字溫度傳感器DS18b20，該傳感器的精度高，使用方便，傳感器的采集數據經串口ZigBee模塊發送。由于擴展了2個串口，可以根據實際需要方便、快捷地擴展其他類型的傳感器模塊。

6結束語

無線傳感器網絡與ZigBee技術的結合能夠解決實驗室環境下的一定局限性，完成無線網絡實驗教學的必備實踐內容，利用該網絡還可以促進進行有關無線傳感器網絡方面的創新實驗和科學發明。

參考文獻

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