利用Zigbee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[圖]

1 Zigbee 技術(shù)及其優(yōu)勢

1.1 Zigbee 技術(shù)概述

Zigbee ProtocoI Stack 體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要有5 層體系組成。 由Zigbee 聯(lián)盟與IEEE 802. 15.4 的任務(wù)小組來共同擔(dān)任標(biāo)準(zhǔn)的制定。 其中物理層、MAC 層標(biāo)準(zhǔn)主要由IEEE802. 15. 4 的任務(wù)小組完成。

而數(shù)據(jù)鏈路接層，以及傳輸過程中的網(wǎng)絡(luò)層、還有與用戶的接口是由Zigbee 聯(lián)盟主導(dǎo)。

圖1 Zigbee 的體系結(jié)構(gòu)。

Zigbee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。 Zigbee 的PHY 層中接取方式是采用直接序列擴展頻率技術(shù)（Direct Seguence Spread Spectrum），它存在如下優(yōu)點：1）擴頻信號具有好的隱蔽性。擴頻信號的頻譜被擴散到很寬的頻帶內(nèi)，相對而言，其功率譜密度也隨之降低（可明顯低于環(huán)境噪聲和干擾電平），難以檢測，因而擴頻信號具有隱蔽性。 2）擴頻信號具有保密性。 擴頻信號受特定偽隨機序列控制，接受者如不能按此偽隨機序列的規(guī)律進行解擴，就不能恢復(fù)消耗中傳送的信息，因而擴頻信號具有保密性。3）擴頻信號具有很強的抗干擾性。 4）提高系統(tǒng)容量。

在擴頻系統(tǒng)中，由于使用多個偽隨機序列作為不同用戶的地址碼，這樣可以共用一個頻段來實現(xiàn)碼分多址，這樣可以共用一個頻段來實現(xiàn)碼分多址通訊。 同時IEEE802. l5. 4 協(xié)議中定義了2 種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。 對全功能器件，要求它支持所有的49 個基本參數(shù)，僅為藍牙的1 / 3. 而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持3S 個基本參數(shù)。 一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通訊，有3 種工作方式，即用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。 而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。 IEEES02. 15. 4 協(xié)議提供了3種數(shù)據(jù)傳輸方式：直接數(shù)據(jù)傳輸、間接數(shù)據(jù)傳輸、有保證時隙（GTS）數(shù)據(jù)傳輸。

1. 2 Zigbee 技術(shù)的主要優(yōu)點

1）省電。 由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，Zigbee 技術(shù)可以確保2 節(jié)五號電池支持長達6 個月到2 年左右的使用時間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。

2）可靠。 采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

3）成本低。 模塊的初始成本估計在6 美元左右，很快就能降到1. 5 美元到2. 5 美元之間，且Zigbee 協(xié)議是免專利費的。

4）時延短。 針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。 設(shè)備搜索時延典型值為30 ms，休眠激活時延典型值是15 ms，活動設(shè)備信道接入時延為15 ms.

5）網(wǎng)絡(luò)容量大。 一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100 個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

6）安全。 ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES - 12S，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)本身要求節(jié)點密集、節(jié)能、方便路由等技術(shù)特點，可以看出應(yīng)用ZigBee 技術(shù)作無線傳感器節(jié)點的無線通訊是可能的。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

2. 1 無線傳感器的構(gòu)建

通過上述的描述，利用ZigBee 技術(shù)和IEEE1451. 2協(xié)議來構(gòu)建的無線傳感器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示：

圖2 無線傳感器結(jié)構(gòu)圖

STIM 部分包括傳感器、放大濾波電路、A/ D 轉(zhuǎn)換；TII 部分主要由控制單元組成；NCAP 負責(zé)通訊。“燃氣表數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”項目中實現(xiàn)了無線燃氣表傳感器的設(shè)計（如圖3 所示）：STIM 選用“CG - L - J2. 5 / 4D型號”的燃氣表；TII 選用ATMEL 公司的S0C51，S 位CPU;NCAP 選用赫立訊公司IP·Link 1000 - B 無線模塊。 在此方案中，燃氣表的數(shù)據(jù)為已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)。 由于燃氣表數(shù)據(jù)為一個月抄一次，所以在設(shè)計的過程中不用沒有考慮數(shù)據(jù)的實時性問題。 IP·Link 1000- B 模塊為赫立訊公司為ZigBee 技術(shù)而開發(fā)的一款無線通訊模塊，其主要特點如下：支持多達40 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的鏈接方式；300 MHZ 到1 000 MHZ 的無線收發(fā)器；高效率發(fā)射、高靈敏度接受；多達76. S kbit / s 的無線數(shù)據(jù)速率；IEEE S02. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品；內(nèi)置高性能微處理器；具有2 個UART 接口；10 bit、23 K 采樣率ADC 接口；微功耗待機模式，這樣為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中降低功率損耗提供了一種靈活的電源管理方案。

圖3 無線傳感器控制和通迅模塊

存儲芯片選用有64 K Bytes 的存儲空間的ATEML 公司24C512 EEPROM 芯片；按一戶需要SBYTES 的信息量計算，可以存儲S 000 多個用戶的海量信息，對一個小區(qū)完全夠用。

所有芯片選用3. 3 V 的低壓芯片，可以降低設(shè)備的能源消耗。

在無線傳輸中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示是一個關(guān)鍵的部分，它往往可以決定設(shè)備的主要使用性能；在這里把它設(shè)計成以下結(jié)構(gòu)：

數(shù)據(jù)頭：3 Bytes 固定為：“AAAAAA”。

命令字：1 Byte 具體的命令。

（01 - 發(fā)送數(shù)據(jù)；02 - 接受數(shù)據(jù)；03 - 進入休眠；04 - 喚醒休眠）數(shù)據(jù)長度：1 Byte 為后面“數(shù)據(jù)”長度的字節(jié)數(shù)。

數(shù)據(jù)：0 ~ 20 Bytes 為具體的有效數(shù)據(jù)。

CRC 校檢：2 Bytes 是從命令字到數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)進行校檢。

在完整接受到以上格式的數(shù)據(jù)后，通過CRC 校檢來完成對數(shù)據(jù)是否正確進行判讀，這在無線通訊中是十分必要的。

2. 2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

IEEE802. 15. 4 提供了3 種有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（樹型、孔型、星型）和3 種器件工作模式（ 協(xié)調(diào)器、全功能模式、簡化功能模式），如圖5 所示。 簡化功能模式只能作為終端無線傳感器節(jié)點，全功能模式既可以作為終端傳感器節(jié)點，也可以作為路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器只能作為路由節(jié)點。

圖4 IEEE802. 15. 4 的3 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

這樣無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以大致組成3 種基本的拓撲結(jié)構(gòu)。 1）基于星型的拓撲結(jié)構(gòu)，它具有天然的分布式處理能力，星型中的路由節(jié)點就是分布式處理中心，即它具有路由功能，也有一定的數(shù)據(jù)處理和融合的能力，每個終端無線傳感器節(jié)點都把數(shù)據(jù)傳給其所在拓撲的路由節(jié)點，在路由節(jié)點完成數(shù)據(jù)簡單、有效的融合，然后對處理后的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。 考慮到路由節(jié)點的功能和通訊的頻率相對終端傳感器節(jié)點較多，一般其功耗也較大，所以其電源容量也較終端傳感器節(jié)點電源的容量大，可考慮為大容量電池或太陽能電源。 2）基于孔狀的拓撲結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個別鏈路和傳感器節(jié)點發(fā)生失效時，不會引起網(wǎng)絡(luò)分立。 可以同時通過多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。 3）基于樹型的拓撲結(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與終端傳感器節(jié)點相連。 這種方案在中間節(jié)點失效的情況下，會使其某些終端節(jié)點失去連接。

“燃氣表數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”項目中采用的星型拓撲結(jié)構(gòu)，主要因為其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，不需要大量的協(xié)調(diào)器節(jié)點，降低了成本。 每個終端無線傳感器節(jié)點為每家的氣表（ 平時無線通訊模塊為掉電方式，通過路由節(jié)點來激活），手持式接受機為移動的路由節(jié)點。

整個網(wǎng)絡(luò)的建立是隨機的、臨時的；當(dāng)手持接收機在小區(qū)里移動時，通過發(fā)出激活命令來激活所有能激活的節(jié)點，來臨時的建立一個星型的網(wǎng)絡(luò)；其網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)流的傳輸過程如以下流程：

1）路由節(jié)點發(fā)出激活命令；2）終端無線傳感器節(jié)點被激活；3）在每個終端無線傳感器節(jié)點分別延長不同隨機數(shù)倍的固定時間段后，節(jié)點通知路由節(jié)點自己被激活；4）路由節(jié)點建立激活終端無線傳感器節(jié)點表；5）路由節(jié)點通過此表對激活節(jié)點進行點名通訊，直到表中的節(jié)點數(shù)據(jù)全部下載完成；6）重復(fù)1）~ 5），直到小區(qū)中所有終端節(jié)點數(shù)據(jù)下載完成。

這樣當(dāng)一個移動接收機在小區(qū)里移動時，可以通過動態(tài)地組網(wǎng)把小區(qū)里用戶燃氣信息下載到接收機中，再將接受機中的數(shù)據(jù)拿到處理中心去集中處理。 通過以上步驟建立的通訊，在小區(qū)實際無線抄表中得到了很好的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

“燃氣表數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”項目情況中，對采集數(shù)據(jù)的實時性要求不高，數(shù)據(jù)也沒做任何的處理，只是簡單的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)。 而實際在軍事應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的情況就復(fù)雜的多。 例如，空投一批無線傳感器到敵方陣地，希望組成一個網(wǎng)絡(luò)定期或不定期的發(fā)送數(shù)據(jù)時就必須考慮以下問題［5 - 6］：1）在終端傳感器數(shù)目確定的情況下，怎樣確定路由節(jié)點的數(shù)據(jù)來保證網(wǎng)絡(luò)必要的服務(wù)質(zhì)量；以及在明確路由節(jié)點的數(shù)目后，如何考慮終端傳感器節(jié)點的數(shù)目來提高網(wǎng)絡(luò)的利用率；2）網(wǎng)絡(luò)的路由如何確定才能使得網(wǎng)絡(luò)通訊最優(yōu)和電源管理最優(yōu)；3）網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)如何選擇；4）數(shù)據(jù)的融合策略是什么；5）終端傳感器節(jié)點間數(shù)據(jù)的同步問題；6）網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的定位等等。 這些問題都值得在下一步工作中做進一步的研究。

在“燃氣表數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”中，應(yīng)用Zigbee 技術(shù)來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用星型拓撲結(jié)構(gòu)組成無線網(wǎng)絡(luò)，很好的實現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)，為構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上提出了一個好的解決方法。 國外已經(jīng)有了這方面的應(yīng)用。 可以預(yù)見隨著微電子技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電源技術(shù)的發(fā)展，傳感器與Zigbee 技術(shù)的融合將進一步緊密。

作者：王東 張金榮 魏延 曹長修 唐政 來源：《重慶大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）》