基于ZigBee技术构建无线传感器网络

郑 毅

（襄樊学院 数学与计算机科学学院，湖北 襄樊 441053）

基于ZigBee技术构建无线传感器网络

郑 毅

（襄樊学院 数学与计算机科学学院，湖北 襄樊 441053）

基于无线传感器网络和ZigBee协议特点分析了ZigBee协议栈的体系结构、无线传感器网络的组网原理、构建基于 ZigBee技术的无线传感器网络的关键技术；采用模块化方法实现了ZigBee协议栈，并结合传感器技术、ZigBee技术、IEEE 802.15.4协议、路由协议设计系统架构、ZigBee无线技术组网及传输模式；重点探讨基于 ZigBee技术无线传感器网络的构建与应用.

ZigBee技术；无线传感器网络；IEEE802.15.4协议

近年来，无线传感器网络主要被用来进行各种数据的采集、处理和传输. 无线传感器网络一般不需要很高的带宽，但是要求大部分时间保持低功耗，对协议栈的大小有严格的限制，此外，对网络安全性、结点自动配置、网络动态重组等方面也有一定的要求. ZigBee技术的出现正好满足这种要求. 用 ZigBee技术组成的无线传感器网络体积小、成本低、功耗低、结构简单、放置灵活、扩展方便、安全可靠[1]，因此，探讨基于ZigBee技术的无线传感器网络实现方案具有重要的实用价值.

1 ZigBee协议栈

ZigBee技术是一种新型的具有统一技术标准的应用于短距离范围内、低速率传输的无线通信技术，其具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大等特点，完整的 ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层和应用层组成. 其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4定义，网络层和应用层由ZigBee联盟定义.[2]

IEEE802.15.4的物理层工作在868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段上，通讯速率分别为 20Kbps、40Kbps、250Kbps，在 2.4GHz频段上采用直接序列扩频技术(DSSS)，有 16个信道可供选择，其它采用BPSK，具有良好的抗干扰性，极限通讯距离可达100m以上. 在MAC层，主要沿用802.11无线局域网标准的CSMA/CA协议，以避免发送数据时的冲突. ZigBee协议定义了命令帧、数据帧、beacon帧和确认帧等4种帧. 在网络层，ZigBee采用星形、树形和网状拓扑，一个基本的星形拓扑ZigBee网络最多可以有255个节点. 在此基础上ZigBee联盟建立了应用层的框架，用户可以根据需求对应用层进行开发，从而提供灵活的组网方式. ZigBee协议栈如图1所示.

图1 ZigBee的协议栈

2 ZigBee无线传感器网络的组网原理

一个典型的无线传感器网络至少由无线传感器节点、网络协调器和中央控制点组成. 大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式形成网络. 传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到网络协调器，最后到达中央控制点. 在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器，用户通过中央控制点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据.[3]

基于ZigBee协议栈建立的无线传感器网络采用全球通用的ISM免付费频段2.4GHz，划分为16个信道，数据传输速率250Kbps，为中短距离、低速率的无线传感器网络，射频传输成本低、灵活度高，可实现一点对多点、对等通信和双向通信，快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理、相互协调实现数据通信. 由于ZigBee应用的低带宽要求，ZigBee节点可以在大部分时间内睡眠以节省电池能量，唤醒后可以在15ms内由睡眠模式进入活动模式，迅速发送数据，发完数据后再进入睡眠模式，从而达到在低功耗下的高性能. 节点耗电低适合电池长期供电，电池的使用寿命可高达10年之久. 在网络安全方面，ZigBee无线传感器网络可采用密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息加密处理，保证数据传输时的高可靠性和安全性.

ZigBee的结点按功能强弱划分为全功能设备FFD和精简功能设备RFD两大类. FFD结点具备控制器的功能，能够提供数据交换，可作为ZigBee网络的协调者、路由器、网络设备终端；RFD结点是ZigBee网络中数量最多的端设备，电路简单、存储容量较小，成本低，只适用于作终端设备，与本网络中的FFD结点交换数据，终端设备加入ZigBee网络后才能接收或者发送数据. 路由器必须加入ZigBee网络后才能发送、接收或者路由数据，并且加入后才能够允许其它路由器和终端设备加入网络. 在一个ZigBee网络中有一个FFD充当该网络的协调器，负责维护整个ZigBee网络的结点信息，ZigBee网络由协调器启动实现自组网功能. 协调器主要完成网络初始化及网络的拓扑更新、传输网络信标、管理网络节点、存储网络节点信息，提供关联节点之间的路由信息、存储节点数据等，还可以与其他ZigBee网络的协调器交换数据，通过各网络协调器的相互通信，得到覆盖范围更大、超过65 000个节点的ZigBee网络. 在大型复杂的系统中，ZigBee网络的中央控制点很可能超出覆盖范围，协调器需要通过有线连接与中央控制点通信，由于以太网在工业市场的应用越来越普及，因此，以太网是ZigBee协议技术最经济恰当的选择. ZigBee无线传感器网络还可以与互联网连接，并以残桩网络的方式工作[4].

3 基于ZigBee芯片模块构建无线传感器网络实例

目前国内市场上 ZigBee芯片(2.4GHZ)提供商主要有：TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE、MICROCHIP等几家，按照从微处理器、ZigBee协议栈、ZigBee芯片的最终成本、开发工具的方便性和开发工具（包括开发软件）的低价格等方面综合比较，采用TI CC2430 ZigBee芯片模块构建无线传感器网络是一种较好的解决方案. CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4GHz系统单芯片，它集成ZigBee射频前端、ROM和8051微控制器在一个芯片内，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络结点，而且其大小仅为7mm×7mm，设备集成度高、外围器件少、外形小，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA，并且支持四种休眠机制，大大降低了功耗. CC2430工作在2.4GHz的免费频段，芯片价格仅5美元左右，使用成本很低[5].

采用CC2430构建的ZigBee网络一般包含协调器、路由器和终端结点3种设备，多个ZigBee网络可通过各自的协调器以无线或有线的方式连接到汇集器组成一个星型网络，再通过汇集器以有线或无线的方式与其它网络互连. ZigBee网络中的节点可将采集到的数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器汇总数据后传送到星型网汇集器，最终将采集数据传送到后台管理数据库，后台管理终端还可以下发系统的配置参数.

在整个ZigBee网络的设计中，如何降低功耗，特别是降低终端结点的功耗是考虑的重点. 一个典型的无线传感器网络的终端结点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成，处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片，大大简化了射频电路的设计，传感器模块根据应用场合的不同灵活选取，电源模块采用3V纽扣锂电池，节点的硬件原理框图如图2所示.

结点的软件包括终端数据采集、实现ZigBee协议栈以及无线通信软件等. 当一个终端结点在其高频覆盖范围内有一个网络协调器处于正常工作状态，且终端结点与该协调器同频时才可以申请加入当前的ZigBee网络. 应用程序首先进行硬件及协议栈初始化，终端结点上电后扫描网络中是否有协调器，如果协调器存在则自动应答终端结点，当终端结点收到应答信号后向协调器发送自己的64位物理地址，协调器收到此地址再给各个终端结点分配16位的网络地址，至此，终端结点加入ZigBee网络成功. 开启接收机，可以运行任务程序，实现接收或发送数据. 在用户应用程序中，首先需要指定节点上端点间基本的通信模式，一种简单的模式就是所有RFD结点均周期性地向协调器结点发送数据包.

图2 无线传感器网络结点硬件原理图

4 结语

基于ZigBee技术的无线传感器网络成本低、功耗低、性能高. 文中提出的ZigBee无线传感器网络的体系架构实现方案以及采用主流芯片模块搭建的节点结构得到业界的认可，探讨了经由以太网在更大范围内通过ZigBee无线传感器网络对信息进行控制和采集的可能性.

[1] 刘瑞霞, 李春杰, 郭 强. 基于ZigBee网状网络的分簇路由协议[J]. 计算机工程, 2009, 35(3): 161-163, 181.

[2] 王亭岭, 陈建明, 王修庞. ZigBee无线传感器网络的有线通信与管理[J]. 微计算机信息, 2010, 26(2): 86-88.

[3] RAJEEV S, ANANDA. Mobile, Wireless and Sensor Networks[M]. John Wiley & Sons, Inc, USA, 2006.

[4] 成小良, 邓志东. 基于ZigBee规范构建大规模无线传感器网络[J]. 通信学报, 2008, 29(11): 158-164.

[5] 宁炳武, 刘军民. 基于CC2430的Zigbee网络节点设计[J]. 电子技术应用, 2008(3): 95-99.

Configuration of Wireless Sensor Network Based on ZigBee

ZHENG Yi
（School of Mathematical and Computer Sciences, Xiangfan University, Xiangfan 441053, China）

Firstly，this paper talks about features of Wireless Sensor Networks (WSN) and ZigBee protocol. Then，it analyzes in detail the structure of ZigBee protocol stack， the networking principles of WSN， and key technology of constructing WSN based on ZigBee. Software modularization design is used to realize ZigBee protocol stack， Wireless Sensor Networks is combined by senor technology, ZigBee, IEEE 802.15.4 and route protocol. The paper deeply describes the system architecture design, the networking principles of ZigBee, and transfer mode. It focuses on the configuration of WSN based on ZigBee and its applications.

ZigBee；Wireless sensor network；IEEE802.15.4 treaty

TP393

A

1009-2854(2010)08-0035-03

2010-06-23;

2010-08-08

郑 毅(1967－ )，男，湖北谷城人，襄樊学院数学与计算机科学学院副教授.

陈 丹)