基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

摘 要：無線傳感器技術(shù)具有低功耗、低成本、應(yīng)用簡單的特點，逐漸成為通信領(lǐng)域的研究熱點。本文主要對ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)組成做出研究，提出無線傳感系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求，提出系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計，探究基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)信息處理技術(shù)，提供更加方便、功能更加強大的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；網(wǎng)絡(luò)組成；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

中圖分類號：TP212.9

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，近年來無線通信技術(shù)得到了快速的發(fā)展，無線傳感技術(shù)逐漸成為發(fā)展的熱點和焦點。無線傳感技術(shù)是一門多學科結(jié)合的科學技術(shù)，集合了現(xiàn)代傳感技術(shù)。嵌入式計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和信息處理技術(shù)，是多學科高度交叉結(jié)合的研究領(lǐng)域。無線傳感系統(tǒng)是由大量的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成，節(jié)點具有計算和無線通信的能力，能夠組合成網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸功能。通過結(jié)合現(xiàn)代的遠程無線技術(shù)，將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行讀取和處理，實現(xiàn)對監(jiān)控目標的遠程、實時、動態(tài)監(jiān)測。

1 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)組成

ZigBee技術(shù)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，其具有近距離、較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，主要應(yīng)用在無線監(jiān)測和控制方面。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用的三個工作頻段，分別為868MHz，915MHz，以及2.4GHz，傳輸?shù)木嚯x在30m-70m之間。ZigBee協(xié)議采用了帶沖突避免的載波偵聽多地址接入方式，能夠有效提高系統(tǒng)的兼容性，避免的在載波之間的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

ZigBee技術(shù)采用的協(xié)議為IEEE802.15.4標準，定義了全功能設(shè)備和簡化設(shè)備兩種類型。全功能設(shè)備能夠作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，能夠同網(wǎng)絡(luò)總的任何其他設(shè)備進行通信，并且具有很強的控制和數(shù)據(jù)處理的能力，具有足夠的空間用來存放路由信息和進行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。簡化功能設(shè)備的功能受到了一定的限制，不能作為在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器來使用，其功能主要是作為網(wǎng)絡(luò)的終端，同全功能設(shè)備進行通信。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的物理設(shè)備主要可以分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端三種類型。協(xié)調(diào)器屬于全功能設(shè)備，職能是管理整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)的總控制器，同時又能夠同其他的設(shè)備進行通信，是整個網(wǎng)絡(luò)的橋梁。路由器也具備管理網(wǎng)絡(luò)的功能，負責處理節(jié)點的入網(wǎng)和離網(wǎng)的請求，還具有數(shù)據(jù)的接受和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。終端可以是全功能設(shè)備還可以是簡化功能設(shè)備，終端之間不能進行通信，只能同父節(jié)點進行通信。

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型、樹型、網(wǎng)型三種類型。根據(jù)不同的需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)類型：星型網(wǎng)絡(luò)是最基本的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，星型結(jié)構(gòu)是由一個協(xié)調(diào)節(jié)點和若干個終端組成的，終端只能和協(xié)調(diào)節(jié)點進行通信。樹型結(jié)構(gòu)主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點構(gòu)成的，樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，對路由器節(jié)點的依賴性較大。網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)同樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)具有一定的相似性，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的靈活性更大，任意的兩個節(jié)點之間都能相互通信，靈活性高、網(wǎng)絡(luò)的可靠性高。不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要可以分為四層，分別為物理層、媒體接入控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。ZigBee的底層采用的是IEEE802.15.4標準，該標準定義了協(xié)議底層的物理層和媒體接入控制層兩個子層。上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是由ZigBee聯(lián)盟統(tǒng)一制定的，應(yīng)用層提供了多個應(yīng)用程序接口。物理層是整個協(xié)議的最底層，定義了物理無線信道和MAC層之間的接口，物理層是由IEEE802.15.4標準定義的，定義了物理無線信道和媒體接入控制層之間的接口。無線信道的合理共享是媒體接入控制層的關(guān)鍵問題，其解決的主要問題是實現(xiàn)物理層和高層之間的通信，處理來自物理層無線信道的接入請求，提供兩個對等媒體接入控制層的數(shù)據(jù)通信鏈路。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層的主要供能是保證下層媒體接入控制層的正常工作，為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層支持星型、樹型和網(wǎng)型三種類型的拓撲結(jié)構(gòu)。路由器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的最重要的功能，核心就是路由算法。ZigBee的應(yīng)用才呢過可以分為應(yīng)用支持技術(shù)層、應(yīng)用層框架和ZigBee設(shè)備對象三部分。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只要應(yīng)用在了軍事、環(huán)境、醫(yī)療、空間探索和家庭應(yīng)用等領(lǐng)域，通過建立起合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對被監(jiān)視區(qū)內(nèi)進行實時的檢測和控制。

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系

無線傳感器網(wǎng)體系主要可以分為三個部分，傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和任務(wù)控制器節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中，節(jié)點是被任意的布置在被檢測的區(qū)域內(nèi)的，節(jié)點之間以自組織的形式形成網(wǎng)絡(luò)，通過多跳中繼方式將檢測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink節(jié)點上，然后在通過長距離或者是臨時建立的Sink鏈路將整個區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)中心進行處理。

傳感器節(jié)點通常是一個具有數(shù)據(jù)處理和存貯以及通信功能的小型的嵌入式系統(tǒng)，通過自身攜帶的電池進行供電，傳感器節(jié)點除了可以進行本地的信息收集還可以對其他節(jié)點的數(shù)據(jù)進行存儲和管理。匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)處理和存儲能力較強，通過能夠持續(xù)供電的電池進行供電，負責將檢測區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進行處理。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點

無線傳感器具有節(jié)點數(shù)量大、電池能量和計算能力有限、無中心和無組織、拓撲結(jié)構(gòu)變化快、以數(shù)據(jù)為中心等特點。無線傳感器的節(jié)點數(shù)量大，每個節(jié)點的通信和傳感半徑有限，所以需要鋪設(shè)大量的傳感器節(jié)點；節(jié)點的電池電量、計算能力和存儲容量具有一定的局限性，傳感器節(jié)點微型化、電池的能量有限，電池能量是限制整個網(wǎng)絡(luò)的最關(guān)鍵約束；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)沒有嚴格的控制中心，所有的節(jié)點的地位是平等的，節(jié)點開機后可以快速、自動地組成一個網(wǎng)絡(luò)；由于傳感器節(jié)點的自身特點，傳感器節(jié)點在工作和睡眠之間進行狀態(tài)切換，所以新的傳感器的快速補充，傳感器的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)隨之變化；以數(shù)據(jù)為中心要求無線傳感器能夠脫離傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進行工作，快速有效組織起各個節(jié)點的信息。

3 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計

在充分了解ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點的基礎(chǔ)上，了解系統(tǒng)的實際需求，根據(jù)實際情況進行基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件和軟件的設(shè)計。

3.1 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的硬件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計。元器件的選擇：ZigBee無線微控制器的芯片選擇需要滿足微控制器和射頻收發(fā)器的要求，本文選用的是英國Jennic公司的無線微控制器，基于802.15.4/ZigBee協(xié)議，具有豐富的外部接口和部件。傳感器的選擇，傳感器選用的是光傳感器、溫度和濕度傳感器，光傳感器選用的是美國TAOSG公司的TSL2550數(shù)字輸出光傳感器，溫度和濕度傳感器選用的是瑞士Sensirion貼片型溫濕度傳感器SHT11。其節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)的框圖如圖2所示：

3.2 基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計

在硬件選型的基礎(chǔ)上，進行軟件平臺的設(shè)計，軟件的設(shè)計平臺基于Jennic SDK，將程序文件和ZigBee協(xié)議一起編譯、連接、生成節(jié)點可以運行的二進制可執(zhí)行文件。軟件設(shè)計中需要自己進行編譯的程序文件主要可以分為三大類。一類是節(jié)點上所用器件的驅(qū)動程序文件，例如光傳感器驅(qū)動文件、溫度濕度驅(qū)動文件等，二是生成文件，用于生成節(jié)點可以運行的二進制可執(zhí)行文件；三是節(jié)點的應(yīng)用程序C文件，包括了協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的應(yīng)用程序C文件。

4 系統(tǒng)的測試研究

系統(tǒng)的調(diào)試和測試首先需要在節(jié)點下載二進制可執(zhí)行的文件，測試協(xié)調(diào)器上電后是否可以組建起相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，路由器和終端節(jié)點是否加入到了網(wǎng)絡(luò)中。打開測試路由器和終端節(jié)點的開關(guān)，檢測是否成功接入網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點網(wǎng)絡(luò)功能成功測試后，測試路由器和終端節(jié)點是否可以成功讀取環(huán)境的溫度、濕度和光的亮度，并且轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，測試協(xié)調(diào)器是否可以正常接受和發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)拓撲和路由器功能測試，網(wǎng)絡(luò)需要自動搜尋路由功能，一旦某條路發(fā)生故障可以尋找替代路由繼續(xù)工作。

5 結(jié)束語

本文通過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點的分析，進行基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計，以及相應(yīng)的系統(tǒng)測試研究，為更好的進行網(wǎng)絡(luò)的檢測和控制提供了一定的理論基礎(chǔ)。

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作者簡介：邱文豐（1987.09-），女，重慶江津人，助理講師，本科，研究方向：計算機教學。

作者單位：重慶工商學校 旅游系，重慶 402289