ZigBee網絡中傳感器節點的無線通信及組網研究

楊源涵

一、ZigBee技術特點

無線傳感網絡（WSN, Wireless Sensor Network）的研究起源于20世紀70年代，最早應用于軍事領域，如冷戰時期的聲音監測系統（SOSUS，Sound Surveillance System）以及空中預警與控制系統（AWACS，Airborne Warning and Control System）[1]。傳感器節點之間的點對點傳輸和網絡的分級處理模式構成了早期傳感器網絡的雛形，即是第一代傳感器網絡。隨著科學的不斷發展，WSN逐漸走出軍事領域，不僅具備了獲取多種信息信號能力，也通過傳感器節點之間的互相連接，組成了龐大的信息綜合處理的網絡系統。這個集計算機、微電子、傳感器、網絡通信、信號處理等諸多領域于一身的技術體系，在生產生活的各方各面取得了重大的進展，D.Estrain 預見性地指出：WSN是21世紀人類信息研究領域所要面臨的主要挑戰之一[2]。

二、ZigBee 概解

在無線傳感器網絡中，數據傳輸的最底層是物理層，先下直接與傳輸介質相連，物理層協議是各種網絡設備進行互聯時必須遵循的底層協議。主要為終端設備傳輸數據提供物理通道、承載數據傳輸和提供數據傳輸服務，具有一定的管理能力并且能進行信道評估、能量監測、收發管理和物理層屬性管理等功能。目前發展較為成熟的物理層主要有：紅外線、WLAN、Bluetooth、UWB和ZigBee等。

ZigBee是是一種近年來興起的短距離無線通信技術，不僅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。ZigBee不僅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，而ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。 它具有低功耗、低成本、低傳輸速率、近距離、短延時、高容量和高安全等特點。

ZigBee協議棧中，應用層定義了各種類型的應用業務，是協議棧的最上層用戶；應用匯聚層負責把不同的應用映射到ZigBee 網絡層上，包括安全與鑒權、多個業務數據流的匯聚、設備發現和業務發現；網絡層的功能包括拓撲管理、M A C 管理、路由管理和安全管理；數據鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質訪問控制子層（MAC）。IEEE802.15.4 的LLC子層與IEEE802.2 的相同，其功能包括傳輸可靠性保障、數據包的分段與重組、數據包的順序傳輸。IEEE802.15.4 MAC 子層通過SSCS（Service-Specific ConvergenceSublayer）協議能支持多種LLC 標準，其功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理；物理層采用DSSS （D i r e c tSequence Spread Spectrum，直接序列擴頻）技術，定義了3 種流量等級：當頻率采用2.4 GHz 時，使用16 信道，能夠提供250 kbit/s 的傳輸速率；當采用915 MHz 時，使用10 信道，能夠提供40 kbit/s的傳輸速率；當采用868 MHz 時，使用單信道，能夠提供20 kbit/s的傳輸速率。

三、ZigBee組網技術

ZigBee網絡可以實現下面三種網絡拓撲結構：星型網、樹型網、網狀網[3]。根據其節點設備所處的角色定義了三種網絡節點類型：協調器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設備（End Device）[4]。其中協調器和路由器必須是FFD。協調器負責建立和維護網絡，在每個網絡中有且只有一個；路由器是中繼節點，可以選錄并發數據。終端設備可以是FFD，也可能是RFD，其功能比較單一，只負責發送和接收簡單信息。

星型網實驗：方案設計的星型網的規模為1個中心節點和4個傳感器終端節點。實驗室房間長5m，寬3m。放定節點位置后，把每個傳感器節點放在中心節點的通信范圍內，所有節點只與中心接點進行數據傳輸。設定數據發送模式為廣播模式，數據位設置為：8位數據+無校驗+1位停止。

星型網絡建立后，我們從終端節點采集數據發送到中心節點，再通過RS232串口發送到PC機上，用開發工具LabVIEW8.5顯示PC收到的數據。經觀察，丟包率和誤包率經實踐驗證在規定的范圍內。無線傳輸距離測試表明，傳輸距離可達20m，空曠無障礙距離可達100m左右。

四、小結

ZigBee網絡省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動控制領域。Zigbee技術的目標是針對工業，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業自動化和醫療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田，電力，礦山和物流管理等應用領域，另外它還可以對局部區域內移動目標例如城市中的車輛進行定位。

參考文獻

[1]C.-Y. Chong. Sensor Networks: Evolution，Opportunities，and Challenges. IEEE，0018-9219/03

[2]D. Estrain， R.Govindan，J. Heidemann，S. Kumar. Next Century Challenges: Scalable Coordiantion in Sensor Networks. In: Proc. Of Mobicom，1999，Seattle，USA，263-270

[3]蔣挺，趙成林．紫蜂技術及其應用．北京：北京郵電大學出版社，2006：34．36

[4]ZigBee Alliance．ZigBee specificationv 1.0．www．ZigBee．org，2004—1 1-19