基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的設計與實踐

王永強王遠飛陸欣

1. 哈爾濱職業(yè)技術學院 2. 哈爾濱科技大學

基于Zigbee技術的無線傳感器網絡的設計與實踐

王永強1王遠飛1陸欣2

1. 哈爾濱職業(yè)技術學院 2. 哈爾濱科技大學

網絡發(fā)展迅速，互聯網、物聯網技術也在不斷成熟完善。伴隨而來的無線傳感網絡的應用也大幅拓展。Zigbee協議是無線傳感網絡的主要應用協議，本文就無線傳感網絡和Zigbee進行了詳細介紹，同時就協議堆棧z-stack進行了設計舉例。

無線傳感網絡 協議 協議棧 體系架構

1 無線傳感網絡介紹

1.1 定義與作用

無線傳感器網絡的英文縮寫為WSN，它是在一定地理范圍區(qū)間內，通過無線的傳感器節(jié)點，去感知網絡中的觀察對象。這些對象常常是壓力、濕度、溫度、地質狀況等。并把相關的情況轉化為數據，對數據進行保存與傳送，傳送給網絡的觀察方?？梢哉f這種解釋直接說明了無線傳感網絡的作用。它的主要作用可以概括為數據的采集和保存、數據的處理以及數據的傳送。

1.2 無線傳感器網絡結構與工作方式

無線傳感器網絡的結構是三部分組成，相互協調進行數據采集與傳輸的工作。

首先是傳感器節(jié)點，它會采集附近區(qū)域觀察對象的情況，簡單的進行數據處理后，進行存儲。通過多跳的方式將數據傳送到其它的傳感器節(jié)點上。進一步，傳感器節(jié)點傳送的數據，通過不斷的跳轉與傳送會匯聚到匯聚傳感節(jié)點上，將這些數據統(tǒng)一存儲，分類處理，然后與互聯網交互，將數據信息傳送給觀察者。觀察者最終獲得所需說句。那么從這個工作過程也可以看出結構中的三個部分。最基本的是傳感器節(jié)點。具備存儲數據簡單處理數據的功能，對比而言存儲能力不強，處理能力較低。匯聚存儲節(jié)點則要存儲最終的多個傳感器節(jié)點的數據，并要統(tǒng)一處理，所以存儲和處理能力較強。同時要實現傳感器網絡與互聯網絡的交互作用。而觀察者我們通過作用命名可以稱之為管理節(jié)點，是發(fā)布任務，最終獲取信息的網絡節(jié)點，它處于互聯網之中。

2 Zigbee相關介紹

它是一種協議，也是一種標準，適用于無線傳感網絡。有自己固定的頻段。協議自身的特點決定了它更加適合于較短距離的無線網絡通信。它的特點有以下幾點：首先，可靠性能高，通常而言，無線網絡是通過光波等介質進行數據通信的，沒有實際的線路介質，所以受到天氣、溫度等條件的影響較大。而Zibee協議，在設計時候就考慮到了這個因素，適合于短距離的無線通訊，技術采用不會收到較大的天氣影響。其次，它能耗小，自身部件少，供電甚至可以使用電池，能耗很小。最后，它的網絡拓撲結構簡單，應用最多的是星型結構和總線型結構。

3 基于Zibee的無線網絡傳感器網絡設計舉例

無線傳感器網絡在地質信息檢測方面得到了廣泛的應用，這里以農業(yè)傳感器網絡為例進行簡單說明，篇幅有限，僅就部分網絡搭建設計進行闡述。

3.1 農業(yè)無線傳感器網絡設計作用與意義

農業(yè)無線傳感器網絡應用可以更好的與物聯網技術融合，可以是兩種網絡作用的共同體現，例如大棚種植中種植條件的檢測，種植情況的分析，危險狀態(tài)發(fā)出警報等產生作用。可以更好的進行種植的無人化、自動化和高產化。

3.2 無線傳感網絡中ZigBee網絡構建及設備驅動開發(fā)設計

ZigBee網絡中，設備分為協調器、路由器和終端設備。協調器主要功能是建立ZigBee網絡，當網絡建立完成后，協調器退化為普通路由器，另外協調器還可以用于配置網絡安全及應用層設備綁定。路由器執(zhí)行路由功能，主要包括：允許其他設備加入網絡；支持多跳網絡；存儲子節(jié)點處于休眠狀態(tài)的消息。終端設備僅需完成對數據采集，可周期休眠與喚醒，以降低系統(tǒng)能耗。Z-Stack的核心是任務系統(tǒng)。協議棧為每個模塊定義一個任務，用于處理模塊內部的所有事件。所有任務均在OSAL初始化時被添加到任務列表，不同任務具有不同優(yōu)先級，高優(yōu)先級任務會被操作系統(tǒng)優(yōu)先調度和執(zhí)行。通過輪轉查詢的調度方式，OSAL完成各模塊定義的所有功能。在Z-Stack中，任務由函數初始化，并通過tasksArr指向任務的處理函數。根傳感器的數據采集任務就可以當作應用層任務。傳感器終端節(jié)點采用星形網絡拓撲結構，該結構由一個協調器和多個終端傳感節(jié)點構成。終端節(jié)點只能與協調器直接進行通信，各個終端之間不需直接進行通信。對于終端節(jié)點，其流程較簡單，設置好定時器中斷，每隔一定時間讀取傳感器數據，并將其發(fā)送至相鄰的協調節(jié)點。

4 Zibee無線傳感器網絡發(fā)展展望

基于Zibee的無線傳感網絡已經在很多領域應用，但是在智能城市、醫(yī)療控制等方面的應用還有待突破。這與自身特點有關，同時也是因為智能城市與醫(yī)療控制對實時性要求較高，數據處理的每個節(jié)點都有較高的要求。造價和實現存在一些困難。但伴隨硬件設備技術的不斷發(fā)展，未來這些方面的無線傳感器網絡將有廣闊的發(fā)展空間。

[1]張任,王堅鋒,嚴海.基于ZigBee的無線傳感器網絡節(jié)點設計[J].機電工程.2008(08)

[2]冷亮,劉丹.基于ZigBee的無線傳感器網絡[J].中國科技財富.2008(07)

項目來源

本文系2016年哈爾濱市應用技術研究與開發(fā)項目（科技創(chuàng)新人才）“物聯網時代主動服務式智慧大樓”項目研究成果（編號：2016RAQXJ206）。