基于ZigBee的短距離無線通訊技術研究

李彬?陽妮

摘要：ZigBee是一種新興的短距離傳輸的無線傳感器網絡技術，相比于藍牙技術的高功耗、高成本，ZigBee的功耗更低、成本更低，且更具有安全性。但是ZigBee技術在我國剛開始發展不久，還需要我們進一步的探索與認知。

關鍵詞：ZigBee；無線傳輸；系統

1系統結構設計

1.1整體設計方案

無線數據傳輸系統通過傳感器將捕捉的現場信號轉換為電信號，經模/數轉換器、ADC采樣、量化、編碼后成為數字信號，存入數據存儲器，或送給微處理器，或通過無線方式將數據發送給接收端進行處理。該系統采用基于802.15.4規范的ZigBee技術，其工作頻率是2.405～2.480GHz，采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250Kbit/s.系統主要包括ZigBee節點和ZigBee基站節點，整體系統結構如圖1所示，其中ZigBee基站節點主要用于組合從各傳感器節點得到的數據以及負責與外界的通信，該節點基于嵌入式系統。

系統由多個自給供電的ZigBee節點組成，每個ZigBee節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其他節點及外界進行通信。ZigBee網絡這種多節點特性使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感，組成一個容錯性較好的采集系統。

系統采用部分網狀（PartialMesh）拓撲結構。在部分網狀里，不是所有的節點都和別的節點相連。采用部分網狀結構的主要好處是每個節點的范圍都被成倍地擴大了。而大部分短距離無線技術都有1個典型的最大范圍：10m或更短，但是部分網狀結構沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節點都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節點A通過以下路徑傳送信號到ZigBee基站節點：A-B-ZigBee基站節點，另一替代路徑為：A-D-C-ZigBee基站節點，也還有其他幾種冗余的路徑。

而要傳輸的數據被放在1個數據包里，數據包從一個節點跳躍到另一個節點，直到到達ZigBee基站節點。然后，數據由ZigBee基站節點匯總并發送到PC機、服務器、局域網或網絡終端進一步傳送。如果由于信號通道阻塞、壞節點或多重路徑衰減，一條路徑失敗了，信號還可找到一條或多條替代路徑。如果一個節點的電池沒電了，它會從網絡中退出來，其他節點卻能經由可供選擇的跳躍來轉接數據。

2系統軟件設計

2.1 ZigBee節點的軟件設計

（1）IEEE802.15.4部分。由RF芯片CC2420提供物理層和MAC層功能。

（2）上層協議。使用成熟的協議棧（可靠性和兼容性），如Z-Stack.

（3）用戶程序。根據ZigBee規范的規定，應用各廠商提供的API函數來實現ZigBee的全部功能，進行組網開發。

（4）TinyOS系統設計。

2.2 ZigBee協議棧設計實現

系統采用Microchip的開源ZigBee協議棧，該協議棧是ZigBee的精簡協議棧，實現了大部分功能。

IEEE802.15.4—2003標準定義了下面的2個層：物理層（PHY層）和媒介層（MAC層）。ZigBee聯盟在此基礎上建立了網絡層（NWK層）以及應用層（APL層）的框架。APL層又包括應用支持子層（APS），ZigBee的設備對象（ZDO）以及制造商定義的應用對象。Microchip協議棧根據ZigBee規范的定義將其邏輯分為多個層。實現每個層的代碼位于一個獨立的源文件中，而服務和應用程序接口（API）則在頭文件中定義。每個層為緊接著的上一層定義一組容易理解的函數。要實現抽象性和模塊性，頂層總是通過定義完善的API和緊接著的下一層進行交互。特定層的C頭文件（如zAPS.h）定義該層所支持的所有API.而用戶應用程序總是與應用編程支持層和應用層交互。由每層提供的很多API都是簡單的C語言宏，調用下一層中的函數。

2.3 ZigBee路由算法AODV

本系統結構為部分網狀拓撲接口，采用AODV進行路由算法。所謂AODV指的是一種在距離矢量基礎上的按需路由算法，對需要的路由進行保持，對于通信過程中沒有達到目的的路由不需要節點維持。與源節點路由不同，節點只需要對嚇一跳記住，不用記住整個路由。所以，該算法能夠實現網絡中各移動節點自啟動的、動態的逐跳路由。如果鏈路斷開，受到影響的節點會收到AODV的通知，系統可確認這些節點無效。對于AODV而言，其對移動節點響應鏈路的破損是允許的，并且對網絡拓撲可及時進行更新。

2.4 ZigBee基站節點及上位機軟件設計

基站節點軟件設計相對比較簡單，主要包含嵌入式系統TinyOS設計、硬件驅動設計及協議棧設計，其中協議軟件開發工具采用Z-StsckZigBee協議。作為控制中的核心設備，上位計算機必須要能夠實現數據處理、網絡喚醒及理由維護等功能，所以在進行上位機系統設計中，微軟的VisualBasic、DelPhi及C++Builder都可以作為系統開發的工具來應用。本系統中，采用DelPhi作為上位機軟件設計的開發工具。

總結：

ZigBee是一個針對傳感器網絡、建筑自動化等應用的短距離無線技術規范.ZigBee是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為滿足小型、廉價設備的無線聯網和控制而制定的.它按高度省電要求設計，因此低功耗和較低數據傳輸率意味著不會和Wi-Fi等其它無線技術競爭，而是作為傳感路網絡等應用的性價比較高的方案。

參考文獻：

[1]李麗麗.基于ZigBee的短距離無線通訊技術研究[D].中北大學，2010.

[2]林國利.基于ZigBee短距離通信技術在工業控制上的應用[J].中國科技博覽，2012（21）：635-635.endprint