基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现

刘勇

摘要：随着科学技术的发展，ZigBee无线传感器网络技术的应用越来越多。基于此，该文对ZigBee技术和无线传感器网络进行分析，对ZigBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了论述，它具有接口简、功耗低以及稳定性能好的优点，为该技术的应用和推广建立理论基础。

关键词：ZigBee；无线传感器；设计；实现

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）09-2100-02

当前，无线传感器网络（WSN）在工业、军事以及学术研究等各个领域都受到了越来越多的关注，其研究成果具有很好的应用价值。将各种类型的具备计算功能和通讯能力的微型传感设备合理地布置在需要进行数据信息监测的区域内，并使这些传感设备能够依据环境的变化情况自动地执行指定的命令，这种能够进行自动控制的网络系统被称为无线传感器网络。由于ZipBee技术具有成本低、功耗小以及短距离等特点，使其在无线传感器网络技术中脱颖而出，成为了无线网络通讯应用技术中的佼佼者，得到了较好的推广运用。

1 ZigBee技术的概述

ZipBee是双向的无线通讯技术的一种，它具有短距离、小功耗、低复杂度以及高稳定性的特点。目前，该技术主要是被用在系统的远程控制以及自动化控制等科技前沿领域，较为常用的工作频段有三种，在不同的工作频段上其传输速率存在一定的差异，通常它的有效传送距离是10m到75m，根据需要还可以对传送距离进行增大。

ZipBee这种成熟的无线电通讯技术所具有的特点包括安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低。在ZipBee技术中对其数据包采用循环冗余校验技术来检测其完整性，同时还能够支持认证，通过运用AES—128加密算法等来保证系统的安全性。为加强稳定性系统运用碰撞避免策略，并通过建立专用的通讯通道保证特殊数据传输的稳定性，防止数据在传输过程中产生冲突，影响重要数据的传输。在MAC层进行数据传输模式的定义时运用的是完全确认技术，即发送出去的所有数据包信息都需要由数据接收方进行信息的确认。一旦在数据传输中发生故障，都会进行数据重新发送，保证数据的稳定传输。ZipBee网络具有较大的容量，将ZipBee网络设计成星型结构时，可实现最多25台的从属设备与1台主控设备的连接，可以将100个ZipBee网络接入一个区域，实现较为灵活的网络组建形式。较为低廉的成本也是ZipBee网络的显著特点，其模块的成本大约在20元，而ZipBee的网络协议也是不需要缴纳专利费用的，这也大大降低了其成本，从一定意义上讲，较低的成本费用是ZipBee网络技术能够广泛应用的重要原因。ZipBee网络的通讯时延较短，从休眠转换为激活状态也只需15ms的时间。工作中的设备接入信道的时延也仅为15ms，ZipBee网络通讯技术能够很好地满足那些对时延控制要求较高的无线控制应用。在设备功耗方面，因为ZipBee的传输速率相对较低，其数据发生功率只有1mw，同时在设计时还添加了设备的休眠模式，进一步降低了功耗，保证了ZipBee设备的节能省电，在使用过程中，只需要给设备装配两节5号电池就能保证6-24个月的稳定供电，避免经常更换电池带来的麻烦。

2 ZipBee的硬件及网络

ZipBee中包含两种类型的硬件设备，一种是精简功能型设备（RFD），另一种是全功能型设备（FFD）。与全功能型设备相比较精简功能型设备只具有一部分的功能，在全功能型设备之间以及全功能型设备与精简功能型设备之间可以相互通讯，但精简功能型设备之间则无法进行通讯。在ZipBee的技术标准中根据设备的不同功能和作用分别确定了三种不同类型的逻辑设备，它们分别是ZipBee协调器、ZipBee路由器以及ZipBee终端设备。在一般情况下，ZipBee协调器和路由器是由全功能型设备配置而成，而ZipBee终端设备大多数情况下是由精简功能型设备配置得到。在系统中建立与维护网络的任务由ZipBee协调器完成，一个网络中有且只有一个协调器，在ZipBee系统中充当中继节点角色的是路由器，它可以完成路径的优选及数据的转发工作，而处于系统末端的ZipBee终端设备其功能则相对单一，通常进行一些较为简单的数据发送与接收工作。

在实际运用中，根据工作的需要可以对ZipBee网络进行灵活的布置，例如可以构建成星型的网络结构亦可以构建成点对点式的网络结构。在星型布置的网络结构中，系统的全部设备都和PAN网路协调器中心设备进行通讯。采用这种类型的网络结构时，要对协调器采取持续的电力供应，系统的其他设备可以以电池来进行供电。相比于星型的网络结构，点对点式的网络结构只要保证设备相互间能够正常地接收无线信号即可，系统内的任意两个设备间都能够实现通讯，在点对点式的网络结构中同样要由协调器来对网络系统的信息进行综合处理，对系统设备进行认证等。

3 ZipBee无线传感器网络系统设计

在进行ZipBee无线传感器网络系统设计时需从硬件和软件两个方面来进行考虑。硬件设备为软件系统建立运用平台，而通过软件系统来指挥硬件执行相应的命令，二者协同工作发挥作用。

无线模块硬件系统主要是微处理器芯片与射频芯片等构建起来的，微处理器的类型较多，可以根据具体的应用来选择，如RISC处理器、ARM处理器等。对于一些较为小型的应用，采用LPC2106微处理器具有较大的优势，因为其功耗和尺寸都较小。以UART和SPI与SSP、I2C建立系统的通讯接口让其能够和SRAM共同发挥作用，从而让LPC2106微处理器更好地实现通讯网关与协议转换器和它本身所具有的强大的信息处理能力。射频芯片运用较多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司开发的芯片是采用的完全集成压控震荡技术，它的优点在于只要有无线发射天线、16MHz晶体这些最基本的电路系统就可以保证其在相应频段上稳定地工作。在CC2420射频芯片上预留了SPI接口来和微处理器进行连接，这个接口既用于系统设置，同时还用来传输信息数据。

在完成了硬件系统的建设后，需要在ZipBee无线传感器网络设备上配置适应的软件系统。它的软件系统包括嵌入式的操作系统、ZipBee协议栈以及其他的一些相关应用程序等。嵌人式操作系统内核能够对任务进行高效的调动、队列管理以及中断处理等操作，它还附带了硬件设备的全部驱动程序。相关的应用程序包括射频通信程序、串口通信程序以及信号质量监测程序等，在进行设计时通常采用模块化设计，这样做的好处是使程序系统的层次分明，具有良好的扩展性，同时对ZipBee技术进行二次开发也是有利的。程序设计时大致可以划分为三个部分包括协议栈、调度以及公共模块部分。协议栈模块的设计与ZipBee协议栈的结构分层相匹配，调度模块的主要作用是对不同的任务调用相应的协议栈模块，程序中设置的存储模块及计时模块能够给所有的协议栈模块释放公共的操作空间。另外也建立了共享的缓冲区域，它主要起到方便存储协议栈模块与调度模块进行数据信息交换的作用。

4 调试与测试工作

在完成了系统的建设后，要进行调试和测试工作以便检验设计的合理性，确保系统能够达到预期的效果，才能真正保证系统建设目标的实现。需要进行调试和测试的内容主要包括系统组网测试、网络通信速率测试、网络通信延迟测试以及通信距离的测试等。通过这些测试和调试来对系统的网络延迟、覆盖范围以及安全性等进行检测和修订，保证系统在投入使用后能够稳定地工作。

5 结束语

本文对ZipBee无线传感器网络系统的设计与实现进行了分析研究，旨在寻找技术优良同时经济合理的无线传感器网络系统，ZipBee技术具有安全稳定性高、网络的信息容量大、成本低、时延短以及功耗低等特点非常适合应用开发，随着技术的不断进步，在科技创新的浪潮中ZipBee技术必将取得更多的成就，更好地服务于无线传感器网络系统的建设。

参考文献：

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