ZigBee技術的無線傳感網絡研究

摘要：現階段，無線傳感技術種類繁多，ZigBee技術作為一項低能耗、高速度、低成本、易組網的新型無線傳感技術，將Zig-Bee技術引入至無線傳感網絡中，可極大水平拓寬無線傳感網絡的應用范圍。本文首先介紹了ZigBee技術的內涵特點，然后探討了Zigbee技術在無線傳感網絡設計中的實踐應用，以期促進無線傳感網絡的不斷發展完善提供一些參考。

關鍵詞：ZigBee技術;無線傳感網絡;應用

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）36-0222-02

無線傳感網絡是經由部署于監控區域的一系列傳感器節點采集基本數據，節點相互協調合作、自組織的信息采集、信息傳輸、信息處理的一種綜合智能信息網絡，表現出良好的發展應用前景，也是近年來頗受關注的一個領域。隨著網絡技術、傳感器技術、嵌入式技術的不斷發展，及無線傳感器節點處理速度、信息采集、功耗等的不斷改善，無線傳感網絡亦在不斷發展，近年來得以在農業、物流、交通、智能家居等行業領域得到廣泛推廣，并且伴隨物聯網技術應用的不斷推進，應用成本的不斷降低，無線傳感網絡勢必將得到更為廣泛的應用。

1 ZigBee技術

1.1 ZigBee技術

ZigBee技術是基于蜜蜂相互間聯系的方式而研發生成的一項應用于互聯網通信的網絡技術。和傳統網絡技術相比，ZigBee技術顯得更為高效便捷。作為一項低能耗、高速度、低成本、易組網的新型無線傳感技術，ZigBee技術其關于組網、安全及應用軟件方面的技術是基于IEEE批準的802 15.4無線標準[1]。這一技術主要適用于自動控制、遠程管理，并且可十分便捷地在各式各樣固定式、便攜式移動終端中開展安裝，同時，ZigBee技術還可實現GPS功能。近年來，ZigBee技術被應用于越來越多的行業領域，諸如工業控制、建筑自動化、智能設備管理、商業管制等，表現出十分廣闊的發展前景。

1.2 ZigBee技術特點

ZigBee作為一項新型的無線網絡技術，其可實現傳統網絡技術所無法實現的諸多功能，即為不僅可實現近距離操作，還可很大程度上降低能耗。好比，在藍牙等無線網絡技術相比，ZigBee技術可降低應用成本，雖然數據處理的速率有待進一步提高，當時后者更為便利，可作為廣大用戶的理想選擇[2]。對于ZigBee技術的特點來說，主要包括有：其一，ZigBee技術應用能耗低。一般來說，ZigBee技術開展傳輸處理過程中所需的功率為1mW。如果ZigBee進入休眠狀態，則其所需的功率將更低。舉例而言，通過為裝置有ZigBee的設備配備兩節常規電池，該設備便可持續運行6個月左有的時間。其二，ZigBee研發應用所需投入的成本低。當前，ZigBee技術的成本普遍不需要交付專利費。一般而言，應用ZigBee技術只需要在最開始交付6美元，接下來的各項實際操作便不需要投入更高的成本。這便表明了，ZigBee技術的研發及應用成本可為廣大用戶所接受。其三，ZigBee技術應用安全可靠。ZigBee技術可實現十分可靠的檢測功能，并且在應用ZigBee技術過程中需要進行反復的檢驗流程。在該種情況下，可很大程度上保證切ZigBee技術應用的安全可靠性。并且，ZigBee技術在信息傳輸時可保證數據流的相對平行性，也就是說，ZigBee技術可為信息數據創造良好的傳輸空間。其四，ZigBee技術不僅可提供龐大的網絡容量，還可節約時間成本。基于ZigBee技術的無線網絡設備，不僅配備有一個主設備，還設置有大量的輔助性設備，這樣為ZigBee技術設備網絡容量的超大額度提供了可靠保障。除此之外，Zig-Bee設備不僅擁有極大的網絡容量，還可節約時間成本。通常而言，ZigBee技術在開展搜索過程中用時僅需30ms，通過是處在休眠狀態下，進入工作狀態則只需l5ms[3]。綜上，ZigBee技術是一項低能耗、低成本、安全可靠、大容量、低時延等無線網絡技術。

2 Zigbee技術在無線傳感網絡設計中的實踐應用

2.1無線傳感器硬件設計

無線傳感網絡結構主要包括節點結構、網絡結構及網絡協議棧等部分，其中，依據硬件設備功能、層面的區別，可將其網絡結構劃分成管理節點、傳感器節點、用戶界面等部分;而節點結構依據傳感器節點組成元件的功能差異，可將其劃分為通信模塊、傳感裝置、數據處理單元、供電設備等部分。在無線傳感網絡中，通信模塊可實現對相鄰節點的有效連接，且主要作用于對網絡信息進行傳輸、接收，通信模塊的選擇重要影響著無線傳感器節點組網的運行質量;傳感裝置主要作用于對相關信息數據開展采集;數據處理單元主要作用于對節點采集的信息開展分析處理，并且可實現對各個節點模塊的調控，該部分也是無線傳感網絡中節點的重要核心;供電設備不論是技術層面還是結構層面均較為簡單，供電通常以常規電池為主，不過供電設備性能很大程度影響著整個無線傳感網絡傳感節點，所以在選擇供電設備時應盡可能選取續航能力可靠且性能穩定的供電設備。網絡協議棧主要由物理層、媒體介質訪問層、網絡層、應用層等協議層構成，其中，物理層可發揮接口作用，提供物理層數據服務及管理服務。媒體介質訪問層主要作用于處理各項物理無線信道訪問，并輸出網絡信號及同步信號;支持個人區域網的連接、分離，建立兩個對等媒體介質訪問層實體相互間可靠的鏈路。網絡層作為網絡協議棧的核心部分，可實現設備連接、斷開網絡連接、路由傳輸及數據傳輸等一系列功能，并可支持星形（Star）、網狀形（Mesh）以及簇樹形（ClusterTree）等一系列拓撲結構[4]。應用層同樣作為網絡協議棧的重要組成部分，是每一位參與開發的程序員一致使用及遵守的準則，程序員以此為基礎開展擴展，并始終確保程序在主體結構上的統一性。該協議層主要作用于提供相關必要函數，為網絡層提供可靠的服務接口，并開展應用對象定義工作。

2.2無線傳感器軟件設計

通常情況下，無線傳感網絡的傳感節點操作系統普遍采用體積相對小的嵌入式系統，基于ZigBee技術的無線傳感器軟件開發環境選取集成的開發環境，ZigBee無線模塊的軟件設計是依托操作系統開展建立的，借助事件輪詢機制，在系統每一層處于初始化階段，系統處在低功耗模式下，等到事件激發后，系統開始運行，并轉至中斷處理事件，在事件結束后，系統又一次轉至低功耗模式。倘若多個事件被激發，則系統會依據優先級評定來對各個事件開展處理。對于嵌入式操作系統的軟件架構工作流程而言，第一步為開啟系統，緊接著開展驅動的初始化、操作系統抽象層初始化，并將它們開啟，進而轉至事件的輪詢階段。

1）協調器節點的軟件設計。基于ZigBee技術的無線傳感網絡中，調節器作為一種啟動、配置網絡的設備，主要作用于構建ZigBee無線傳感網，并對ZigBee無線傳感網開展管理工作。在有其他網絡節點提出申請，以期加入ZigBee無線傳感網中，這一過程協調器可白動通過加入申請，進而實現與其他網絡之間的通信。另外，協調器可對終端節點傳輸進入網絡的電壓數據開展全面采集，并經由串口將采集的電壓數據傳輸至上位機，上位機將控制命令傳輸至協調器，調節器在接收到控制命令后，再將命令傳輸至各個終端節點，終端節點接收到命令后進而做出相關的處理反應。

2）路由器節點的軟件設計。基于ZigBee技術的無線傳感網絡中，路由器作為一項支持關聯的設備，作用主用于將信息數據傳輸至其他設備，實現路由功能。ZigBee設備的地址類型可分為64位IEEE地址和16位網絡地址兩種。ZigBee無線傳感網分配網絡地址的編址方案主要為分布式編址方案，這一方案可確保在整個無線傳感網絡中各個被分配的網絡地址均是獨一無二的[5]。

3）終端節點的軟件設計。基于ZigBee技術的無線傳感網絡中，終端節點主要作用于采集電源電壓數據，并將電源電壓數據傳輸至協調器，同時可接收到來自協調器的控制命令，終端節點可實現對采集/保護模塊中繼電器、蜂鳴器的有效控制，并結合接收到的命令做出相關處理反應。終端節點憑借自身授權身份進入無線傳感網絡后，與協調器構建綁定關系，形成綁定關系后，即便沒有傳輸數據的目的地址，終點節點也可將其傳輸至目的端。

3 Zigbee技術的發展趨勢

伴隨物聯網的不斷發展，射頻識別技術、近距離無線通訊技術等技術在物聯網一系列場景中得到廣泛推廣。與此同時，伴隨智能傳感器的不斷豐富，要求ZigBee該種可提供低功耗.網絡管理便捷、安全可靠的技術來開展高效、低成本的傳輸控制。然而現階段，ZigBee技術應用不論是其終端種類還是整個產業鏈上，相較于射頻識別技術、近距離無線通訊技術依舊存在不小的差距。在ZigBee聯盟以及IEEE802 15.4的不斷推進新，ZigBee技術憑借一系列優勢特點，結合其他無線網絡技術，可實現覆蓋面廣泛的網絡智能互聯。該項技術不僅在工業、農業、醫療、環境等領域表現出巨大的應用價值，在未來還可深入推廣至社會大眾日常生活的各個領域[6]。

4結束語

總而言之，無線傳感網絡技術是近年來人們廣泛關注的一大焦點，但其存在應用范圍較為狹窄的問題。推進ZigBee技術與無線傳感網絡的聯合應用，可借助高速網絡低能耗終端，實現信息數據的全面采集，并保證信息傳輸速度，進一步提升無線傳感網絡的應用前景，滿足社會大眾的多元需求。因此，相關人員應當圍繞如何有效開展ZigBee技術的無線傳感網絡設計應用進行探索研究，進而促進無線傳感網絡的不斷發展完善。

參考文獻：

[1]吳鍵，袁慎芳，殷悅，等.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡及其應用研究[J].測控技術，2008，27 （1）：13 -15.

[2]龍海燕，張天飛，丁嬌，等.《ZigBee技術應用及無線傳感網絡技術》課程改革探索[J].物聯網技術，2017，7（12）：185-186.

[3]丁明玲，李林江.基于ZigBee的無線傳感網絡關鍵技術[J]廣東通信技術，201 7，9（12）：69-72.

[4]劉瓊，周之光，朱志偉.基于CC2430的低功耗ZigBee無線傳感器網絡節點的設計[J].湖南工業職業技術學院學報，2009，9（5）：15-16.

[5]關學忠，張新城，孟伸伸.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡路由算法的性能分析[J].自動化技術與應用，2017，36（3）：36-39.

[6]王永強，王遠飛，陸欣.基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的設計與實踐[J].數碼世界，2017，12（3）：4.

【通聯編輯：唐一東】

收稿日期：2019-08-15

作者簡介：劉志強（198 4-），男，江西安遠人，碩士，江西理工大學信息工程學院，研究方向為無線傳感器網絡物聯網。