ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信及組網(wǎng)研究

楊源涵

一、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN, Wireless Sensor Network）的研究起源于20世紀(jì)70年代，最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如冷戰(zhàn)時(shí)期的聲音監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SOSUS，Sound Surveillance System）以及空中預(yù)警與控制系統(tǒng)（AWACS，Airborne Warning and Control System）[1]。傳感器節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和網(wǎng)絡(luò)的分級(jí)處理模式構(gòu)成了早期傳感器網(wǎng)絡(luò)的雛形，即是第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，WSN逐漸走出軍事領(lǐng)域，不僅具備了獲取多種信息信號(hào)能力，也通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的互相連接，組成了龐大的信息綜合處理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這個(gè)集計(jì)算機(jī)、微電子、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信、信號(hào)處理等諸多領(lǐng)域于一身的技術(shù)體系，在生產(chǎn)生活的各方各面取得了重大的進(jìn)展，D.Estrain 預(yù)見(jiàn)性地指出：WSN是21世紀(jì)人類信息研究領(lǐng)域所要面臨的主要挑戰(zhàn)之一[2]。

二、ZigBee 概解

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畹讓邮俏锢韺樱认轮苯优c傳輸介質(zhì)相連，物理層協(xié)議是各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)時(shí)必須遵循的底層協(xié)議。主要為終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)提供物理通道、承載數(shù)據(jù)傳輸和提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，具有一定的管理能力并且能進(jìn)行信道評(píng)估、能量監(jiān)測(cè)、收發(fā)管理和物理層屬性管理等功能。目前發(fā)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(lái)興起的短距離無(wú)線通信技術(shù)，不僅要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)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(jí)MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。 它具有低功耗、低成本、低傳輸速率、近距離、短延時(shí)、高容量和高安全等特點(diǎn)。

ZigBee協(xié)議棧中，應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)，是協(xié)議棧的最上層用戶；應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上，包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層的功能包括拓?fù)涔芾怼 A C 管理、路由管理和安全管理；數(shù)據(jù)鏈路層又可分為邏輯鏈路控制子層（LLC）和介質(zhì)訪問(wèn)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(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸。IEEE802.15.4 MAC 子層通過(guò)SSCS（Service-Specific ConvergenceSublayer）協(xié)議能支持多種LLC 標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)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(kuò)頻）技術(shù)，定義了3 種流量等級(jí)：當(dāng)頻率采用2.4 GHz 時(shí)，使用16 信道，能夠提供250 kbit/s 的傳輸速率；當(dāng)采用915 MHz 時(shí)，使用10 信道，能夠提供40 kbit/s的傳輸速率；當(dāng)采用868 MHz 時(shí)，使用單信道，能夠提供20 kbit/s的傳輸速率。

三、ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)下面三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)、樹(shù)型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)[3]。根據(jù)其節(jié)點(diǎn)設(shè)備所處的角色定義了三種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設(shè)備（End Device）[4]。其中協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)；路由器是中繼節(jié)點(diǎn)，可以選錄并發(fā)數(shù)據(jù)。終端設(shè)備可以是FFD，也可能是RFD，其功能比較單一，只負(fù)責(zé)發(fā)送和接收簡(jiǎn)單信息。

星型網(wǎng)實(shí)驗(yàn)：方案設(shè)計(jì)的星型網(wǎng)的規(guī)模為1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)和4個(gè)傳感器終端節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室房間長(zhǎng)5m，寬3m。放定節(jié)點(diǎn)位置后，把每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，所有節(jié)點(diǎn)只與中心接點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)定數(shù)據(jù)發(fā)送模式為廣播模式，數(shù)據(jù)位設(shè)置為：8位數(shù)據(jù)+無(wú)校驗(yàn)+1位停止。

星型網(wǎng)絡(luò)建立后，我們從終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)發(fā)送到中心節(jié)點(diǎn)，再通過(guò)RS232串口發(fā)送到PC機(jī)上，用開(kāi)發(fā)工具LabVIEW8.5顯示PC收到的數(shù)據(jù)。經(jīng)觀察，丟包率和誤包率經(jīng)實(shí)踐驗(yàn)證在規(guī)定的范圍內(nèi)。無(wú)線傳輸距離測(cè)試表明，傳輸距離可達(dá)20m，空曠無(wú)障礙距離可達(dá)100m左右。

四、小結(jié)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。Zigbee技術(shù)的目標(biāo)是針對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化，遙測(cè)遙控，汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等，例如燈光自動(dòng)化控制，傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域，另外它還可以對(duì)局部區(qū)域內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位。

參考文獻(xiàn)

[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(shù)及其應(yīng)用．北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：34．36

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