基于ZigBee的无线传感器网络研究

王晓卉

【摘要】本文结合传感器技术介绍了ZigBee协议的无线传感器网络系统的开发与应用，并给出了一个实际系统的软硬件设计方案，最后对该设计方案进行测试，给出测试结果，证明了该方案的可行性。

【关键词】ZigBee 无线传感器网络 协议 IEEE802.15.4

1引言

随着网络和通信技术的发展，人们对无线通信的要求也越来越高。短程、低速、廉价的无线通信技术整成为关注的焦点。目前，一种新的无线通信技术引起了人们的关注，这就是所谓的ZigBee技术。ZigBee技术的出现，正好满足了传感器网络低端的、面向控制的、应用简单的专用标准。ZigBee以其高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点，使其和无线传感器网络完美的结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已经得到越来越多的关注。

2ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主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。

它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

ZigBee技术的应用前景被非常看好。ZigBee在未来的几年里将在工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee的主要应用领域。

3无线传感器网络的开发设计

基于IEEE标准和ZigBee协议的无线传感器网络由STIM、ZigBee和NCAP三部分组成，在IEEE的结构模型上用无线接口取代了有线的TII接口，通过在STIM和NCAP中嵌入ZigBee模块，采用ZigBee协议实现了STIM和NCAP之间的无线数据传输。

3.1系统硬件总体设计

无线传感器节点执行数据采集、处理和通信等工作。ZigBee技术将终端从器件上分成两类。一类是全功能器件FFD，它拥有足够的存储空间来存放路由信息并且处理能力也相应增强，它承担了网络协调者的功能，可以同网络中的任何设备通信，可存在于任何拓扑结构中。另一类是简化功能器件RFD，它内存较小，功耗低，不能作为网络协调者，只能与FFD通信，实现简单，多用于星型拓扑结构中。全功能器件主要起到网关的作用，而简化功能器件是最基本的传感器节点，用来捕获数据信息并传递给其范围内的网关节点。

整个网络由若干终端设备和监控中心组成，网络采用星型拓扑结构，监控中心由1台计算机和多个协调器组成，协调器是一种实现一组很多ZigBee服务的FFD，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制或起到通信路由的作用。设备节点可以是FFD或RFD，RFD是最简单的ZigBee节点，只实现一组最少的ZigBee服务。

数据采集模块主要负责监测区域内信息的采集并将各种传感器采集的信号转变为数字信号并送给微处理模块；微处理模块负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等，最主要的是需要实现网络安全可靠的通信协议；无线通信模块负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；电源模块管理单元选通所用到的传感器。通过通用接口实现附加功能与系统核心模块相分离，降低系统复杂性并可根据实际应用添加不同类型的传感器。

3.2系统软件总体设计

ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee协议栈的基础上进行的，这涉及与传感器的配合以及网络架构等方面的问题。ZigBee协议栈分为有偿和无偿两种。目前世界上最大的两家ZigBee芯片提供商TI和Freescle都推出了符合各自生产的ZigBee芯片的协议栈。

当一个无线传感器网络形成之后，节点一般处于休眠状态。而当某个节点在一个随机时间醒来或被某事件唤醒后，其第一个步骤就是搜索其通信范围内已存在的网络。如果找到网络，本节点将根据所获得的网络信息选定一个父节点并提出入网申请，同时等待父节点的请求响应。此时如果没有找到任何网络，节点将申明自己为PAN网络协调器并建立网络，并作为父节点接收入网申请。当父节点收到一个入网申请后，将根据请求信息作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，父节点将发出请求响应并告知子节点。子节点收到请求响应后，将获得父节点分配给它的一个网络地址（也称为短地址）作为网络内唯一的身份标识。至此，节点将成功加入网络。加入网络后，节点将作为协调器广播信标帧，同时接受新节点的入网请求。这样，通过一级一级的短地址分配，传感区域内的所有节点将组成簇树的网络拓扑结构。

簇树结构的无线传感器网络中的所有节点均为FFD。任何一个节点都有建立网络的能力，建立网络的节点及PAN网络协调器对应着无线传感器网络中的网关节点。其它协调器可作为子节点加入网络，并具有加入其他未入网节点的能力，每个节点都具备路由和数据转发功能。在节点入网的过程中，相互通信的一对节点构成父子关系，已经加入网络的节点称为父节点，另一个节点称为它的子节点。

3.3系统测试总体设计

系统测试分为硬件测试和软件测试两种方法。硬件测试包括：射频部分测试、ADC测试、温度传感器测试、UART测试、时钟模式测试、随机数测试、加密解密测试、直接存储测试、电源模式测试、时钟中断测试和外部中断测试等，其中，射频部分测试是最为重要的部分。软件测试是将插上带有射频控制模块的监控设备通过USB接口连接到计算机后，配合使用一些列工具软件实现一台ZigBee数据协议分析仪的功能。

参考文献：

[1]孟开元，王琦珑，曹庆年.基于ZigBee的无线传感器网络的研究[J].中国科技信息，2009年第7期.

[2]刘子京，裴文江.基于ZigBee协议的无线传感器网络研究[J].计算机技术与发展，2009年5月第19卷第5期.