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?shù)臒o線傳感器網(wǎng)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(fā)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(tǒng)

1系統(tǒng)結構設計

1.1整體設計方案

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過傳感器將捕捉的現(xiàn)場信號轉換為電信號，經(jīng)模/數(shù)轉換器、ADC采樣、量化、編碼后成為數(shù)字信號，存入數(shù)據(jù)存儲器，或送給微處理器，或通過無線方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端進行處理。該系統(tǒng)采用基于802.15.4規(guī)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(shù)據(jù)傳輸速率為250Kbit/s.系統(tǒng)主要包括ZigBee節(jié)點和ZigBee基站節(jié)點，整體系統(tǒng)結構如圖1所示，其中ZigBee基站節(jié)點主要用于組合從各傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)以及負責與外界的通信，該節(jié)點基于嵌入式系統(tǒng)。

系統(tǒng)由多個自給供電的ZigBee節(jié)點組成，每個ZigBee節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計算以及與其他節(jié)點及外界進行通信。ZigBee網(wǎng)絡這種多節(jié)點特性使得眾多的傳感器可以通過協(xié)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(tǒng)。

系統(tǒng)采用部分網(wǎng)狀（PartialMesh）拓撲結構。在部分網(wǎng)狀里，不是所有的節(jié)點都和別的節(jié)點相連。采用部分網(wǎng)狀結構的主要好處是每個節(jié)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(wǎng)狀結構沒有最大通信距離的限制，因為它所有的節(jié)點都被用作中繼器或路由器。在圖1中，節(jié)點A通過以下路徑傳送信號到ZigBee基站節(jié)點：A-B-ZigBee基站節(jié)點，另一替代路徑為：A-D-C-ZigBee基站節(jié)點，也還有其他幾種冗余的路徑。

而要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)被放在1個數(shù)據(jù)包里，數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點跳躍到另一個節(jié)點，直到到達ZigBee基站節(jié)點。然后，數(shù)據(jù)由ZigBee基站節(jié)點匯總并發(fā)送到PC機、服務器、局域網(wǎng)或網(wǎng)絡終端進一步傳送。如果由于信號通道阻塞、壞節(jié)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(jié)點的電池沒電了，它會從網(wǎng)絡中退出來，其他節(jié)點卻能經(jīng)由可供選擇的跳躍來轉接數(shù)據(jù)。

2系統(tǒng)軟件設計

2.1 ZigBee節(jié)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(xié)議。使用成熟的協(xié)議棧（可靠性和兼容性），如Z-Stack.

（3）用戶程序。根據(jù)ZigBee規(guī)范的規(guī)定，應用各廠商提供的API函數(shù)來實現(xiàn)ZigBee的全部功能，進行組網(wǎng)開發(fā)。

（4）TinyOS系統(tǒng)設計。

2.2 ZigBee協(xié)議棧設計實現(xiàn)

系統(tǒng)采用Microchip的開源ZigBee協(xié)議棧，該協(xié)議棧是ZigBee的精簡協(xié)議棧，實現(xiàn)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(lián)盟在此基礎上建立了網(wǎng)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(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將其邏輯分為多個層。實現(xiàn)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(shù)。要實現(xiàn)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(shù)。

2.3 ZigBee路由算法AODV

本系統(tǒng)結構為部分網(wǎng)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(jié)點維持。與源節(jié)點路由不同，節(jié)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(xiàn)網(wǎng)絡中各移動節(jié)點自啟動的、動態(tài)的逐跳路由。如果鏈路斷開，受到影響的節(jié)點會收到AODV的通知，系統(tǒng)可確認這些節(jié)點無效。對于AODV而言，其對移動節(jié)點響應鏈路的破損是允許的，并且對網(wǎng)絡拓撲可及時進行更新。

2.4 ZigBee基站節(jié)點及上位機軟件設計

基站節(jié)點軟件設計相對比較簡單，主要包含嵌入式系統(tǒng)TinyOS設計、硬件驅動設計及協(xié)議棧設計，其中協(xié)議軟件開發(fā)工具采用Z-StsckZigBee協(xié)議。作為控制中的核心設備，上位計算機必須要能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、網(wǎng)絡喚醒及理由維護等功能，所以在進行上位機系統(tǒng)設計中，微軟的VisualBasic、DelPhi及C++Builder都可以作為系統(tǒng)開發(fā)的工具來應用。本系統(tǒng)中，采用DelPhi作為上位機軟件設計的開發(fā)工具。

總結：

ZigBee是一個針對傳感器網(wǎng)絡、建筑自動化等應用的短距離無線技術規(guī)范.ZigBee是近距離、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(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(yè)控制上的應用[J].中國科技博覽，2012（21）：635-635.endprint