基于ZigBee的選擇性組網(wǎng)無線通信技術研究

呂偉

【摘要】 本文首先分析了以ZigBee技術為核心的無線傳感器網(wǎng)絡的相關技術，然后設計并實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡選擇性組網(wǎng)系統(tǒng)，最后在選擇性組網(wǎng)和系統(tǒng)性能方面做了相關測試，測試表明本系統(tǒng)可以實現(xiàn)選擇性組網(wǎng)功能。

【關鍵詞】 無線傳感器網(wǎng)絡 ZigBee 選擇性組網(wǎng)

一、背景

無線傳感器網(wǎng)絡是目前IT行業(yè)研究的熱門課題，以無線傳感器網(wǎng)絡技術為核心的物聯(lián)網(wǎng)，市場規(guī)模巨大，應用環(huán)境多種多樣。在實際生活中無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用，尤其是其在智能家居、環(huán)境監(jiān)測、智能交通和城市數(shù)字化建設等領域的實際的和潛在的應用價值，使得許多科研機構投入了大量的物力和人力，促進了這種技術的快速發(fā)展。采用ZigBee 技術來組建無線傳感器網(wǎng)絡，具有功耗低、自愈能力和自我組織功能，實時采集監(jiān)測所需的各種數(shù)據(jù)信息，為獲取監(jiān)測對象信息提供很好的平臺。當無線傳感器網(wǎng)絡在同一區(qū)域內若存在多個網(wǎng)絡時，協(xié)調器無法建立有特定標志的網(wǎng)絡，終端節(jié)點也無法有選擇性的加入特定網(wǎng)絡，很可能造成組網(wǎng)混亂，為此有必要研究并設計一套有選擇性的組網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡的選擇性組網(wǎng)功能。

二、ZigBee關鍵技術分析

2.1 無線通信技術分析

目前常用的近距離無線通信技術有藍牙、Wi-Fi、UWB以及 ZigBee等。ZigBee技術的傳輸數(shù)據(jù)速率通常在20kbps-250kbps之間，傳輸距離通常在10米-100米之間，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點，主要用于實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡中通信功能。

（1）ZigBee 技術簡介

ZigBee通信頻段和信道分析。IEEE 802.15.4規(guī)定了物理層的868MHz 、915MHz、2.4GHz 3個頻段，規(guī)定了27個信道，各頻段都免執(zhí)照使用，三個頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率、信道個數(shù)、使用區(qū)域和調制解調方式各不相同。其中2.4GHz頻段是全球通用頻段，傳輸速率250 kbps，有信道16個，調制解調方式采用直接序列擴頻和偏移正交相移鍵控，其信道的標準頻率是通過公式Fc=2045NHz+5（k-11）MHz，（k= 11，12，13 26）進行計算。

ZigBee協(xié)議棧分析。ZigBee 協(xié)議棧分主要分為四層：物理層、媒體訪問控制子層、網(wǎng)絡層和應用層。每一層的除了負責完成本層協(xié)議的任務，同時為上一層提供服務。

（2）網(wǎng)絡拓撲結構分析

網(wǎng)絡設備。在無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)絡設備主要包括：協(xié)調器、路由器和終端三種設備。協(xié)調器主要功能是建立一個網(wǎng)絡號唯一的網(wǎng)絡。路由器主要功能是對數(shù)據(jù)和命令進行路由的選擇。終端節(jié)點主要功能是接收命令或將采集的數(shù)據(jù)信息上傳，只需要加入已建成的網(wǎng)絡即可，它本身不具有路由和網(wǎng)絡維護功能。

拓撲結構。無線傳感器網(wǎng)絡中常用的拓撲結構有三種：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。星型網(wǎng)絡呈現(xiàn)出一個輻射狀系統(tǒng)，協(xié)調器處于網(wǎng)絡中心。星型網(wǎng)的優(yōu)點是：結構簡單，組網(wǎng)方便。樹型網(wǎng)的拓撲復雜度介于網(wǎng)狀網(wǎng)和星型網(wǎng)之間。網(wǎng)狀網(wǎng)實現(xiàn)了網(wǎng)絡的自愈、多跳和自組織的功能，但其協(xié)議復雜，對硬件要求高。本系統(tǒng)選擇采用星型網(wǎng)絡拓撲來搭建網(wǎng)絡。

2.2無線通信芯片選型

目前世界上有很多生產(chǎn)ZigBee無線芯片的制造公司，通過對市場上比較主流的四家公司的芯片在接收靈敏度、最大發(fā)射功率等方面進行對比分析，可以看出CC2530芯片能夠滿足實驗環(huán)境的需要，并且芯片功耗較小，它的這些性能與其他制造公司的芯片相比，具有很大的優(yōu)勢。因此本系統(tǒng)選擇TI 公司的CC2530芯片。

2.3 CC2530常用功能

電源管理。終端節(jié)點在數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收，以及空閑狀態(tài)時的能耗較高，而在休眠時的能耗較低。由于數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收是不可避免的，所以在空閑時若終端節(jié)點能進入睡眠狀態(tài)就可以很好的降低功耗。

時鐘管理。CC2530芯片內部有一個主時鐘源，主時鐘源既可以采用片內的16MHz RC振蕩器，也可采用外部的32MHz晶體振蕩器。由于本系統(tǒng)主要涉及RF收發(fā)功能，而內部6MHz RC振蕩器雖然耗電量小，但是不能用于RF收發(fā)功能，所以本系統(tǒng)采用外部32MHz晶體振蕩器作為主時鐘源。

定時器。由CC2530使用手冊可知，它有4個通用定時器、1個睡眠定時器和1個看門狗定時器。通用定時器T1/T2/T3/T4。其中T2定時器被系統(tǒng)使用，用戶不能使用，可供用戶的定時器是T1/T3/T4，定時器的定時功能都基于計數(shù)器建立。

中斷處理。CC2530有18個中斷源，常用的有Timer1中斷T1、睡眠定時器（Sleep Timer）中斷ST、看門狗定時器（Watchdog Timer）中斷WDT、RF通用中斷RF和串口接收中斷USART0。

存儲器管理。CC2530芯片里有兩種類型的物理存儲設備：SRAM和FLASH，映射為四種不同的存儲空間，CODE存儲空間、DATA存儲空間、 XDATA 存儲空間、SFR存儲空間。本系統(tǒng)使用的CC2530芯片型號是F256，它共分為8個bank。

三、選擇性組網(wǎng)設計與實現(xiàn)

在本文中，選擇性組網(wǎng)是指定的節(jié)點只能加入指定的協(xié)調器網(wǎng)絡。選擇性通信協(xié)議是指為實現(xiàn)選擇性組網(wǎng)而定義的一套含有標志字段的通信協(xié)議。在選擇性通信協(xié)議中有網(wǎng)絡標志字段，它是網(wǎng)絡的標志屬性，能夠區(qū)別不同類型的網(wǎng)絡類別。當傳感器節(jié)點在尋找網(wǎng)絡的時候，依據(jù)網(wǎng)絡標志段有選擇的加入網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)有選擇性的組網(wǎng)。

3.1 協(xié)調器建立網(wǎng)絡

協(xié)調器建立網(wǎng)絡過程是：（1）硬件初始化。（2）協(xié)調器確定網(wǎng)絡號。（3）廣播網(wǎng)絡標志幀。（4）等待終端節(jié)點加入。協(xié)調器上電初始化設備后，搜索信道n 秒，若是周圍不存在網(wǎng)絡，則取出本協(xié)調器的物理地址后四位作為本網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號；若周圍存在網(wǎng)絡，且是不同類型網(wǎng)絡，則用本協(xié)調器的物理地址后四位作為本網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號，若是同類型的網(wǎng)絡，并且網(wǎng)絡號和本協(xié)調器物理地址后四位不相同時，用本協(xié)調器的物理地址后四位作為本網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號，若相同，則取最大網(wǎng)絡號加1作為本網(wǎng)絡的網(wǎng)絡號。協(xié)調器不間斷的向外廣播網(wǎng)絡標志幀，同時監(jiān)聽是否有終端節(jié)點入網(wǎng)申請，若有則判斷幀的標志段，若是同類型網(wǎng)絡，則允許入網(wǎng)，分配網(wǎng)絡地址，回送確認幀，保存節(jié)點信息至上位機，若不是，則不予處理。協(xié)調器建立網(wǎng)絡流程如下圖所示。

其中，F(xiàn)CF為幀控制域字段，長度為2字節(jié)。PANID為網(wǎng)絡號字段，長度為1字節(jié)；Broad_addr為廣播地址，長度為2字節(jié)，值為十六進制FFFF；Sour_addr為源地址，即協(xié)調器的網(wǎng)絡地址，長度為2字節(jié)，值為十六進制0000；Flag為標志字段，長度為10字節(jié)，是網(wǎng)絡的特定標志。

3.2 協(xié)調器工作階段

協(xié)調器在工作階段有三種功能，一是接收網(wǎng)絡中節(jié)點數(shù)據(jù)，二是處理新節(jié)點的加入，三是不間斷廣播網(wǎng)絡標志幀。（1）協(xié)調器接收數(shù)據(jù)。協(xié)調器收到數(shù)據(jù)幀后，判斷幀中網(wǎng)絡號是否與自己網(wǎng)絡號相同，若相同，回送數(shù)據(jù)確認幀，并取出幀中數(shù)據(jù)字段，及節(jié)點短地址，組織數(shù)據(jù)包，傳送給上位機。否則，不予處理。（2）協(xié)調器處理新節(jié)點加入。協(xié)調器在接收網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)的同時，可能有新的節(jié)點申請加入網(wǎng)絡。收到節(jié)點入網(wǎng)申請幀后，判斷幀中是否是同類型網(wǎng)絡，若是同類型網(wǎng)絡，則分配網(wǎng)絡地址，回送確認幀，保存節(jié)點信息至上位機。若不是，則不予處理。（3）廣播網(wǎng)絡標志幀。協(xié)調器在接收網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)、處理新節(jié)點加入的同時，還不間斷的廣播網(wǎng)絡標志幀。

3.3 終端節(jié)點加入網(wǎng)絡

終端節(jié)點加入網(wǎng)絡過程是：（1）硬件初始化。（2）搜索信道找出最近同類型網(wǎng)絡。初始化后，在定長時間段內（搜索信道時間），終端節(jié)點搜索信道，接收分析數(shù)據(jù)包，判斷是否為同類型網(wǎng)絡，若是計算出網(wǎng)絡信號強度，若不是則不予處理，搜索信道時間結束，取出網(wǎng)絡信號強度最大的網(wǎng)絡號，設置為自己的網(wǎng)絡號，并申請加入。（3）申請加入網(wǎng)絡。確定了要加入的網(wǎng)絡后，向該網(wǎng)絡的協(xié)調器發(fā)送入網(wǎng)申請。（4）等待確認。終端節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)申請后，等待協(xié)調器的響應幀，收到響應后，則判斷幀中的特定域值是否是自己的MAC地址，若是則取出幀中特定字段值作為本節(jié)點的網(wǎng)絡短地址；若不是，則重發(fā)入網(wǎng)申請，直至入網(wǎng)成功。終端節(jié)點入網(wǎng)流程圖如下圖所示。

3.4 終端節(jié)點工作階段

當終端節(jié)點加入網(wǎng)絡成功后，即進入工作階段。當終端節(jié)點進入工作階段后，首先進行數(shù)據(jù)的采集發(fā)送任務，完成后，進入低功耗休眠模式，當休眠預設時間間隔到時，睡眠定時器喚醒終端節(jié)點，進行相應的數(shù)據(jù)采集發(fā)送任務，當收到協(xié)調器回應的數(shù)據(jù)確認幀后，則說明此次任務完成，進入到低功耗休眠模式；若收不協(xié)調器回應的數(shù)據(jù)確認幀，需繼續(xù)數(shù)據(jù)的采集發(fā)送任務，當重發(fā)次數(shù)大于預設的閾值時，則節(jié)點重啟系統(tǒng)，重新加入網(wǎng)絡；若沒有大于預設閾值時，需重新采集發(fā)送數(shù)據(jù)，至到收到協(xié)調器的數(shù)據(jù)確認幀為止。

四、系統(tǒng)測試分析

為了驗證本系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的標志性信息的有效性和系統(tǒng)傳輸性能，對本網(wǎng)絡系統(tǒng)進行一些性能測試，主要是對選擇性組網(wǎng)性能和系統(tǒng)傳輸性能進行測試，其中選擇性組網(wǎng)性能測試包括同類型網(wǎng)絡組網(wǎng)測試、不同類型網(wǎng)絡組網(wǎng)測試、混合類型網(wǎng)絡組網(wǎng)測試等，測試表明同一區(qū)域內特定節(jié)點可以正確加入特定網(wǎng)絡。在系統(tǒng)傳輸性能上，主要包括丟包率測試、入網(wǎng)延遲測試、節(jié)點能耗測試、網(wǎng)絡穩(wěn)定性等測試，測試表明，在丟包率、入網(wǎng)延遲、節(jié)點能耗上，本系統(tǒng)的選擇性組網(wǎng)能夠順利實現(xiàn)，但在網(wǎng)絡穩(wěn)定性上有待改進。

五、小結

通過研究分析ZigBee協(xié)議棧和無線傳感器網(wǎng)絡技術，翻閱參考相應的CC2530芯片使用手冊，利用IAR 開發(fā)環(huán)境，本文研究設計了一種選擇性組網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。此系統(tǒng)是基于 ZigBee 技術，選用CC2530 芯片設計軟硬件的星型網(wǎng)絡。在系統(tǒng)運行中，終端節(jié)點負責定時采集和發(fā)送數(shù)據(jù)，并通過無線網(wǎng)絡把采集的數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調器，協(xié)調器負責把各終端節(jié)點傳送來的數(shù)據(jù)處理后通過串口傳送給上位機。通過測試，明本系統(tǒng)能夠實現(xiàn)可靠的選擇性網(wǎng)，達到了研究和設計的目標。

參 考 文 獻

[1]翟雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術及應用[M].北京航空航天大學出版社，2007.

[2]王小強，歐陽駿，黃寧淋.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[M].化學工業(yè)出版社，2012.

[3] Texas Instruments. CC253x User Guide[Z]. http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.