基于ZigBee的無線通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)

王泳鋆　楊志紅

摘要：本文介紹了一種基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開發(fā)和覆蓋評(píng)估，堆棧結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)。提出了一種適用于家庭服務(wù)集成的方法，并將具有自適應(yīng)加權(quán)融合（Awf）處理的感知節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)關(guān)，并通過網(wǎng)關(guān)重新執(zhí)行分組。處理后，上報(bào)監(jiān)控中心，有效優(yōu)化了無線網(wǎng)絡(luò)，提高了數(shù)據(jù)處理效率的規(guī)模。

[關(guān)鍵詞]ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞

ZigBee技術(shù)由于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，即未經(jīng)許可的2.4GHz工業(yè)，正在成為中短距離通信的一種重要的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案?？茖W(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）帶，超低功率（電池操作系統(tǒng)的理想），在廉價(jià)電池上運(yùn)行多年，大量的節(jié)點(diǎn)/傳感器，在N之間可靠且安全的鏈路網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，易于部署和配置，低成本系統(tǒng)，非?？斓倪^渡時(shí)間，數(shù)字電池監(jiān)控設(shè)施，和較小的規(guī)模（系統(tǒng)的芯片）。

1ZigBee無線通信技術(shù)

1.1ZigBee棧

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是用于輕量級(jí)無線網(wǎng)絡(luò)的簡單分組數(shù)據(jù)協(xié)議，并且指定媒體訪問控制（MAC）和物理（PHY）網(wǎng)絡(luò)層（圖8.1）。ZigBeeTEC技術(shù)充分利用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，并增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用軟件（ERGEN，2004）。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的焦點(diǎn)允許監(jiān)測(cè)超過10-100米，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有多個(gè)節(jié)點(diǎn)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)使用兩個(gè)phys。在2.4GHzPHY頻段，數(shù)據(jù)速率為250kbps和在868/915MHz頻段，數(shù)據(jù)速率為20～40kbps。2.4GHz和868/915MHz頻段的信道分別為16和11。csma-ca和時(shí)隙csma-ca用于ieee8的信道接入。

1.2網(wǎng)絡(luò)層

拓?fù)涫且环N應(yīng)用程序設(shè)計(jì)選擇，包括星型和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)一些應(yīng)用程序，如PC外圍設(shè)備，可能需要星形網(wǎng)絡(luò)的低延遲連接，而其他應(yīng)用程序，如外圍安全，可能需要對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋。ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用三種設(shè)備，即（i）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，（ii）全功能設(shè)備和（ili）精簡功能設(shè)備。這三種裝置的工作原理如下：

（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者（協(xié)調(diào)者）：維護(hù)整體網(wǎng)絡(luò)知識(shí)，是三種類型中最復(fù)雜的一種，需要更高的內(nèi)存和更高的計(jì)算能力。

（2）全功能設(shè)備（路由器）：支持本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有802.15.4功能和功能。它可以充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。額外的內(nèi)存和計(jì)算能力使它成為網(wǎng)絡(luò)路由器功能的理想選擇，也可以用于網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備。

（3）功能精簡型設(shè)備（終端設(shè)備）：功能有限，復(fù)雜度低，成本低。它通常出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備中。

2背景介紹與分析

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的發(fā)展，越來越多的用于監(jiān)測(cè)和控制的傳感器和執(zhí)行器都嵌入了無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可以連接在一起形成一個(gè)自主網(wǎng)絡(luò)。與此同時(shí)，ZigBee技術(shù)被認(rèn)為是近年來通信技術(shù)的主要進(jìn)步之一，因?yàn)樗鼮榫W(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)、全區(qū)域覆蓋以及獨(dú)立合作服務(wù)和應(yīng)用的開發(fā)提供了基礎(chǔ)，在不同的領(lǐng)域（如區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)）正在進(jìn)行廣泛的研究。圈養(yǎng)和管理、擴(kuò)展區(qū)域的動(dòng)物存在和放牧?xí)r間監(jiān)測(cè)、藥物管理和保健系統(tǒng)，尤其是家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

3基于ZigBee無線通信組網(wǎng)設(shè)計(jì)與無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

一個(gè)基于ZigBeeWSN架構(gòu)適應(yīng)家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用主要包括三個(gè)類型的節(jié)點(diǎn)：庫節(jié)點(diǎn)，ZigBeeZigBee路由器（Zr），和結(jié)束節(jié)點(diǎn)，分別為，匯節(jié)點(diǎn)是基于ZigBee網(wǎng)關(guān)是由于一個(gè)協(xié)調(diào)員在ZigBee網(wǎng)絡(luò)，它是負(fù)責(zé)光數(shù)據(jù)報(bào)告a服務(wù)到用戶側(cè)。

4組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在AAL環(huán)境下在接收功率分配方面的性能外，非期望干擾的評(píng)估也是一個(gè)主要問題，特別是在復(fù)雜的環(huán)境中。許多無線網(wǎng)絡(luò)共存的室內(nèi)環(huán)境，以及諸如衍射和快速衰落之類的輻射傳播現(xiàn)象非常強(qiáng)的室內(nèi)環(huán)境。這些現(xiàn)象的影響以及拓?fù)銩對(duì)場(chǎng)景中的Nd形態(tài)進(jìn)行分析，可以用先前提出的模擬方法來研究。

4.2系統(tǒng)性能測(cè)試

基于zigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署是多功能的，允許多種拓?fù)渑渲?。如星、網(wǎng)或樹。然而，由于MOTES的無線固有特性和大小，它們的位置和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔旧砜梢院苋菀椎匦薷暮椭匦屡渲谩Ｒ虼嗽趩我坏腁AL環(huán)境中可以發(fā)現(xiàn)非常不同的網(wǎng)絡(luò)和子網(wǎng)絡(luò)，三維射線發(fā)射算法是分析這種無線網(wǎng)絡(luò)性能的適當(dāng)工具。仿真提供的主要結(jié)果是整個(gè)場(chǎng)景的接收功率電平。圖4顯示了接收到的功率分配的示例R分布在一個(gè)高度1.5米的平面上，發(fā)射Zed放置在機(jī)房內(nèi)?？梢杂^察到，場(chǎng)景的形貌對(duì)結(jié)果有很大的影響。在這個(gè)前任充足的信息顯示，通過箱室的門的無線電傳播比其他房間要大，因?yàn)楣饩€路徑中存在較小的障礙和墻壁。

5結(jié)束語

本文在部署無線通信系統(tǒng)的框架下，分析了環(huán)境輔助生活的環(huán)境感知場(chǎng)景。及其對(duì)覆蓋能力關(guān)系的影響。提出了一種基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)應(yīng)用方案。提供了一種可用于無線通信服務(wù)集成的堆棧結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)?；谠摴?jié)點(diǎn)，用戶可以快速開發(fā)出ZigBee技術(shù)的覆蓋監(jiān)測(cè)應(yīng)用集成。用戶端一服務(wù)器端采用線性插值理論來評(píng)估ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。建立了基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的基本功能。示范工程的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該試驗(yàn)臺(tái)能夠方便地完成無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和監(jiān)測(cè)任務(wù)，各節(jié)點(diǎn)都能直觀地顯示其工作狀態(tài)。

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