ZigBee网络中传感器节点的无线通信及组网研究

杨源涵

一、ZigBee技术特点

无线传感网络（WSN, Wireless Sensor Network）的研究起源于20世纪70年代，最早应用于军事领域，如冷战时期的声音监测系统（SOSUS，Sound Surveillance System）以及空中预警与控制系统（AWACS，Airborne Warning and Control System）[1]。传感器节点之间的点对点传输和网络的分级处理模式构成了早期传感器网络的雏形，即是第一代传感器网络。随着科学的不断发展，WSN逐渐走出军事领域，不仅具备了获取多种信息信号能力，也通过传感器节点之间的互相连接，组成了庞大的信息综合处理的网络系统。这个集计算机、微电子、传感器、网络通信、信号处理等诸多领域于一身的技术体系，在生产生活的各方各面取得了重大的进展，D.Estrain 预见性地指出：WSN是21世纪人类信息研究领域所要面临的主要挑战之一[2]。

二、ZigBee 概解

在无线传感器网络中，数据传输的最底层是物理层，先下直接与传输介质相连，物理层协议是各种网络设备进行互联时必须遵循的底层协议。主要为终端设备传输数据提供物理通道、承载数据传输和提供数据传输服务，具有一定的管理能力并且能进行信道评估、能量监测、收发管理和物理层属性管理等功能。目前发展较为成熟的物理层主要有：红外线、WLAN、Bluetooth、UWB和ZigBee等。

ZigBee是是一种近年来兴起的短距离无线通信技术，不仅要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。 它具有低功耗、低成本、低传输速率、近距离、短延时、高容量和高安全等特点。

ZigBee协议栈中，应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户；应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流的汇聚、设备发现和业务发现；网络层的功能包括拓扑管理、M A C 管理、路由管理和安全管理；数据链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控制子层（MAC）。IEEE802.15.4 的LLC子层与IEEE802.2 的相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE802.15.4 MAC 子层通过SSCS（Service-Specific ConvergenceSublayer）协议能支持多种LLC 标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预留时隙管理和广播信息管理；物理层采用DSSS （D i r e c tSequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术，定义了3 种流量等级：当频率采用2.4 GHz 时，使用16 信道，能够提供250 kbit/s 的传输速率；当采用915 MHz 时，使用10 信道，能够提供40 kbit/s的传输速率；当采用868 MHz 时，使用单信道，能够提供20 kbit/s的传输速率。

三、ZigBee组网技术

ZigBee网络可以实现下面三种网络拓扑结构：星型网、树型网、网状网[3]。根据其节点设备所处的角色定义了三种网络节点类型：协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端设备（End Device）[4]。其中协调器和路由器必须是FFD。协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有一个；路由器是中继节点，可以选录并发数据。终端设备可以是FFD，也可能是RFD，其功能比较单一，只负责发送和接收简单信息。

星型网实验：方案设计的星型网的规模为1个中心节点和4个传感器终端节点。实验室房间长5m，宽3m。放定节点位置后，把每个传感器节点放在中心节点的通信范围内，所有节点只与中心接点进行数据传输。设定数据发送模式为广播模式，数据位设置为：8位数据+无校验+1位停止。

星型网络建立后，我们从终端节点采集数据发送到中心节点，再通过RS232串口发送到PC机上，用开发工具LabVIEW8.5显示PC收到的数据。经观察，丢包率和误包率经实践验证在规定的范围内。无线传输距离测试表明，传输距离可达20m，空旷无障碍距离可达100m左右。

四、小结

ZigBee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。Zigbee技术的目标是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域，另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

参考文献

[1]C.-Y. Chong. Sensor Networks: Evolution，Opportunities，and Challenges. IEEE，0018-9219/03

[2]D. Estrain， R.Govindan，J. Heidemann，S. Kumar. Next Century Challenges: Scalable Coordiantion in Sensor Networks. In: Proc. Of Mobicom，1999，Seattle，USA，263-270

[3]蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用．北京：北京邮电大学出版社，2006：34．36

[4]ZigBee Alliance．ZigBee specificationv 1.0．www．ZigBee．org，2004—1 1-19