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

　　摘 要：通過對(duì)新型、開放的無線互聯(lián)技術(shù)Zigbee 技術(shù)的分析；結(jié)合傳感器技術(shù)、Zigbee、IEEE1451. 2 技術(shù)、路由協(xié)議，構(gòu)建了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 分析討論了基于“ 燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)”的無線傳感器結(jié)構(gòu)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。

　　隨著MEMS 技術(shù)和無線通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、科研中有了更廣泛的應(yīng)用范圍。 就其功能而言，可以把它分成智能傳感器部分和無線通訊部分。 智能傳感器部分可根據(jù)具體情況由不同的硬件組成，同時(shí)IEEE 組織提出了IEEE1451. 2 的智能傳感器接口協(xié)議。 無線通訊部分實(shí)現(xiàn)的方法，不外乎利用已有的IEEE 802.11D、IEEE802. 15. 1（藍(lán)牙）、IEEE802. 15. 4（Zigbee）等無線通訊技術(shù)；其中IEEE802. 11D 相對(duì)于其它2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來說，主要用于海量數(shù)據(jù)、高帶寬傳輸，但不太適合傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。 Zigbee 和藍(lán)牙相比最大的不同在于：1）極低的功耗，使用壽命和整個(gè)傳感器一樣長(zhǎng)，無需更換電池；2）靈活的組網(wǎng)方式，可直接組成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问剑?）傳感器器件不和網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)，處于休眠狀態(tài)，通信前須將其喚醒。 所以Zigbee 是一種低成本、低功耗、低復(fù)雜度的無線技術(shù)，Zigbee 技術(shù)相對(duì)于藍(lán)牙更適合構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

　　1 Zigbee 技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

　　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(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)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(kuò)展頻率技術(shù)（Direct Seguence Spread Spectrum），它存在如下優(yōu)點(diǎn)：1）擴(kuò)頻信號(hào)具有好的隱蔽性。擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜被擴(kuò)散到很寬的頻帶內(nèi)，相對(duì)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(cè)，因而擴(kuò)頻信號(hào)具有隱蔽性。 2）擴(kuò)頻信號(hào)具有保密性。 擴(kuò)頻信號(hào)受特定偽隨機(jī)序列控制，接受者如不能按此偽隨機(jī)序列的規(guī)律進(jìn)行解擴(kuò)，就不能恢復(fù)消耗中傳送的信息，因而擴(kuò)頻信號(hào)具有保密性。3）擴(kuò)頻信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾性。 4）提高系統(tǒng)容量。

　　在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于使用多個(gè)偽隨機(jī)序列作為不同用戶的地址碼，這樣可以共用一個(gè)頻段來實(shí)現(xiàn)碼分多址，這樣可以共用一個(gè)頻段來實(shí)現(xiàn)碼分多址通訊。 同時(shí)IEEE802. l5. 4 協(xié)議中定義了2 種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。 對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49 個(gè)基本參數(shù)，僅為藍(lán)牙的1 / 3. 而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持3S 個(gè)基本參數(shù)。 一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)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(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡(jiǎn)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(shí)隙（GTS）數(shù)據(jù)傳輸。

　　1. 2 Zigbee 技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

　　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(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的使用時(shí)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(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

　　3）成本低。 模塊的初始成本估計(jì)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(fèi)的。

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

　　5）網(wǎng)絡(luò)容量大。 一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100 個(gè)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(shí)各個(gè)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(diǎn)密集、節(jié)能、方便路由等技術(shù)特點(diǎn)，可以看出應(yīng)用ZigBee 技術(shù)作無線傳感器節(jié)點(diǎn)的無線通訊是可能的。