基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡構建與應用

　　引言
　　
　　無線網(wǎng)絡的市場發(fā)展在邏輯上可分為而向語音的市場和面向數(shù)據(jù)的市場兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡中，小型、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡的應用場合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術，其網(wǎng)絡標準由IEEE802.15.4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍牙、高速率PAN（個人局域網(wǎng)）或者IEEE802.11x無線局域網(wǎng)更加簡單實用。
　　
　　1、IEEE802.15.4標準和ZigBee技術
　　
　　IEEE的無線PAN工作組制定的IEEE802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎，目的是為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速連接。
　　
　　1.1IEEE802.15.4協(xié)議架構及其技術特點
　　
　　IEEE802.15.4滿足ISO（標準化組織）OSI（開放系統(tǒng)互連）參考模式。它定義了單一的MAC（媒體訪問控制）層和多樣的物理層，如圖1所示。　　
　　IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS（業(yè)務相關的會聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型1的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4的MAC層服務。
　　
　　IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868／915MHz物理層2個標準，它們都基于DSSS（直接序列擴頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。915／868MHz頻段是基于差分編碼的BPSK（二進制相移鍵控），2.4GHz頻段采用十六進制正交調制。2.4CHz頻段共有16個不同的信道為統(tǒng)一的無需申請的ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)療）頻段，采用高階調制技術能提供250kbit／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，只有1個信道，915MHz是美國的ISM頻段，有10個信道，引入這2個頻段避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz傳輸速率為20kbit／s，916MHz傳輸速率為40kbit／s。這2個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。
　　
　　1.2ZigBee技術
　　
　　ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)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(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是zui低功耗和成本的技術。
　　
　　ZigBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖2所示。　　
　　a）物理層：遵循IEEE802.15.4協(xié)議，是協(xié)議的zui底層，承擔著與外界直接作用的任務，控制RF收發(fā)器工作，采用擴頻通信，信號傳輸距離為室內50m，室外150m。
　　
　　b）MAC層：遵循IEEE802.15.4協(xié)議，負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時隙，實現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡中每個設備為16位地址尋址。
　　
　　c）網(wǎng)絡層：建立新的網(wǎng)絡，處理節(jié)點的進入和離開網(wǎng)絡，根據(jù)網(wǎng)絡類型設置節(jié)點的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡協(xié)調器對節(jié)點分配地址，保證節(jié)點之間的同步，提供網(wǎng)絡的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。
　　
　　d）應用層：應用支持層維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務和需求使多個器件之間進行通信，根據(jù)具體應用由用戶開發(fā)。
　　
　　2、ZigBee的網(wǎng)絡結構
　　
　　Zigbee支持星形網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)3種網(wǎng)絡拓撲結構。圖3是混合型ZigBee組網(wǎng)。每種網(wǎng)絡都有各自的優(yōu)點。星形網(wǎng)以一個功能強大的主器件作為網(wǎng)絡的中心，負責協(xié)調全網(wǎng)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(wǎng)絡的控制和同步都比較簡單，適用于設備數(shù)量比較少的場合。對等網(wǎng)又分為點對點和簇樹形2種，是由主器件連接而成的。這種網(wǎng)絡能提供更高的可靠性。星形網(wǎng)和對等網(wǎng)相結合形成了混合網(wǎng)，各子網(wǎng)內部以星形連接，主器件又以對等方式相連。這種網(wǎng)絡適用于對網(wǎng)絡要求zui復雜的情況。一般在現(xiàn)實的應用環(huán)境中，混合型具有更大的實用性。　　
　　在無線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點是由軟件層和硬件層共同配合來實現(xiàn)功能的。在應用ZigBee芯片建立無線傳感器網(wǎng)時，ZigBee芯片硬件內置物理層和MAC層的一部分功能，其他高層由外而的MPU解決，通過對MPU的寫入，來實現(xiàn)ZigBee的高層協(xié)議。圖4為節(jié)點內部結構圖。
　　
　　節(jié)點應用部分裝置根據(jù)監(jiān)控的不同位置（比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或瀉染物）起不同的作用。通常這些裝置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它們的資源（能源、存儲、計算速度和帶寬）嚴重受限。每個節(jié)點都具備一個無線電收發(fā)器、一個很小的微控制器和一個能源（通常為電池）。這些裝置互相幫助，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭慌_監(jiān)控計算機。　　
　　由于大部分的節(jié)點只需要有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽恍枰锌刂颇芰Γ琙igBee技術將節(jié)點從器件上分為3類（見圖3）：
　　
　　a）RFD（簡化功能器件）。RFD內存小，功耗低，在網(wǎng)絡中作為源節(jié)點，只發(fā)送與接收信號，并不起轉發(fā)器／路由器的作用。
　　
　　b）FFD（全功能器件）。在網(wǎng)絡中，F(xiàn)FD是具有轉發(fā)與路由能力的節(jié)點，擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，并且處理控制能力也相應得增強。
　　
　　c）網(wǎng)絡主機或網(wǎng)關。ZigBee還支持第3種節(jié)點，即網(wǎng)絡主機或網(wǎng)關節(jié)點，起到與外部系統(tǒng)接口或協(xié)調與其他網(wǎng)絡的路由作用。FFD有時起網(wǎng)關的作用。
　　
　　一個網(wǎng)絡只需要一個網(wǎng)絡協(xié)調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4kB，因此網(wǎng)絡的整體成本比較低。
　　
　　通常，底層FFD和RFD將由MCU（微控制器）控制，該MCU通過隊列QSPI（串行外設接口）與ZigBee收發(fā)器相連。MCU的選擇取決于該設備是否作為一個其下仍轄有ZigBee網(wǎng)絡層的FFD。基礎的RFD通常由一個8位MCU控制，但對FFD來說，根據(jù)其復雜程度及所連接的網(wǎng)絡，其控制單元可以是8位、16位或低端的32位MCU。
　　
　　PAN協(xié)調器負責協(xié)調整個網(wǎng)絡以及與中央控制點的通信，所以它是構建一個ZigBee網(wǎng)絡的關鍵所在。對PAN協(xié)調器的關鍵要求包括：
　　
　　a）在更大更復雜的系統(tǒng)（如一個制造場所），其中央控制點很可能超出ZigBee網(wǎng)絡的覆蓋范圍，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN協(xié)調器可能需通過有線連接與中央控制點進行通信。因為以太網(wǎng)在工業(yè)市場的應用越來越普及，所以在大多數(shù)場合，以太網(wǎng)是zui可能的選擇。系統(tǒng)中以太網(wǎng)的應用為網(wǎng)絡設計帶來兩個潛在影響：一是要考慮處理以太網(wǎng)接口所需的處理器帶寬；二是為驅動以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡將需要相應的底層驅動程序和協(xié)議棧，這就增加了系統(tǒng)內PAN控制器對程序存儲器的需求。
　　
　　b）驅動整個PAN網(wǎng)絡的通信。因為一個大的PAN網(wǎng)絡將使通信量增加，所以PAN協(xié)調器需要更高的帶寬。
　　
　　c）標記整個ZigBeePAN。PAN協(xié)調器必須存儲整個網(wǎng)絡的“地圖”，并識別網(wǎng)絡內哪些節(jié)點是FFD或RFD以及各部分的功能。對復雜的大型工業(yè)系統(tǒng)來說，為存儲這樣一張圖將需要更多的存儲器。
　　
　　d）具備與網(wǎng)絡中的新節(jié)點建立動態(tài)鏈接的能力。在大型系統(tǒng)的使用周期中，系統(tǒng)可能需要添加新節(jié)點。PAN協(xié)調器必須能容易地與這些新節(jié)點建立連接，無論它們在網(wǎng)絡中的任何一點，也無論它們是FFD還是RFD。此外，PAN協(xié)調器要能確定這些新節(jié)點在網(wǎng)絡中的職責。為使PAN協(xié)調器有效地履行這種任務，它需要更大的小地程序存儲器，因而也必須具備訪問這些存儲器的能力。
　　
　　一個基于ZigBee的WPAN（無線個域網(wǎng)）能支持高達254個節(jié)點，外加一個全功能器件，即可實現(xiàn)雙向通信*協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4kB或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32kB。每個協(xié)調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調器則可形成一個網(wǎng)絡，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。
　　
　　3、基于ZigSee芯片構建無線傳感器網(wǎng)
　　
　　基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網(wǎng)是由一組ZigBee節(jié)點以AdHoc方式構成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者傳感器、感知對象和觀察者，它們是傳感器網(wǎng)絡的3個基本要素；傳感器與觀察者之間的通信方式是無線，用于存?zhèn)鞲衅髋c觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務是傳感器網(wǎng)絡的重要特點，傳感器網(wǎng)絡中的部分或全部節(jié)點可以移動，傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。節(jié)點問以AdHoc方式進行通信。每個節(jié)點都可以充當路由器的角色，并且每個節(jié)點都具備動態(tài)搜索、定位和恢復連接的能力。
　　
　　基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網(wǎng)可以利用GSM（移動通信系統(tǒng)）網(wǎng)絡、CDMA（碼分多址）網(wǎng)絡、以太網(wǎng)等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制（見圖5），網(wǎng)絡可以采用星形或者混合型拓撲和需求時喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低每個ZigBee傳感器節(jié)點的功耗，減少傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率。　　
　　中央控制中心通過網(wǎng)絡與多個匯節(jié)點連接，匯節(jié)點和傳感器節(jié)點之間通過ZigBee技術實現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點負責對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給匯節(jié)點；控制中心通過網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。分布在傳感器網(wǎng)絡中的匯節(jié)點主要用于接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)上報，并將其進行融合處理，傳給無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過網(wǎng)絡傳遞給中央信息控制中心。ZigBee模塊與MCU之間的連接是通過異步串行口實現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kB／s，MCU控制通信模塊完成匯節(jié)點和中央控制中心的通信，由于傳感器網(wǎng)絡中分布著多個匯節(jié)點，因此16位MCU要利用軟件中斷實現(xiàn)對不同ID匯節(jié)點上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使匯節(jié)點的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過MCU處理后傳出。匯節(jié)點在此傳感器網(wǎng)絡中充當?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點和網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關。
　　
　　近來旭昂成功開發(fā)出一種ZigBee轉以太網(wǎng)模塊，這種模塊主要是利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡采集來的信息通過TCP／IP協(xié)議上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，無論你身處世界的那個角落，都可以通過ZigBee轉以太網(wǎng)模塊實時進行遠程監(jiān)控。也可以通過GSM網(wǎng)絡，采用Sie-mens公司TC35模塊作為數(shù)據(jù)傳輸終端，可以快速、可靠地實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的傳輸。利用MSP430MCU控制TC35模塊完成匯節(jié)點和中央控制中心的通信。
　　
　　4、結束語
　　
　　無線傳感器網(wǎng)絡與ZigBee技術的結合有著廣泛的應用前景。本文主要探討了基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡構建與應用。根據(jù)ZigBee協(xié)議提出Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構，探討經由GSM網(wǎng)絡、CDMA網(wǎng)絡或者以太網(wǎng)在更大的范圍內通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡達到對信息的控制和采集。這種方式在現(xiàn)實中具有很強的應用性。在不遠的將來，將有越來越多的內置式ZigBee功能的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。