基于ZigBee的短距离无线通讯技术研究

李彬?阳妮

摘要：ZigBee是一种新兴的短距离传输的无线传感器网络技术，相比于蓝牙技术的高功耗、高成本，ZigBee的功耗更低、成本更低，且更具有安全性。但是ZigBee技術在我国刚开始发展不久，还需要我们进一步的探索与认知。

关键词：ZigBee；无线传输；系统

1系统结构设计

1.1整体设计方案

无线数据传输系统通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器、ADC采样、量化、编码后成为数字信号，存入数据存储器，或送给微处理器，或通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。该系统采用基于802.15.4规范的ZigBee技术，其工作频率是2.405～2.480GHz，采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250Kbit/s.系统主要包括ZigBee节点和ZigBee基站节点，整体系统结构如图1所示，其中ZigBee基站节点主要用于组合从各传感器节点得到的数据以及负责与外界的通信，该节点基于嵌入式系统。

系统由多个自给供电的ZigBee节点组成，每个ZigBee节点都可以进行周围环境数据的采集、简单计算以及与其他节点及外界进行通信。ZigBee网络这种多节点特性使得众多的传感器可以通过协同工作进行高质量的传感，组成一个容错性较好的采集系统。

系统采用部分网状（PartialMesh）拓扑结构。在部分网状里，不是所有的节点都和别的节点相连。采用部分网状结构的主要好处是每个节点的范围都被成倍地扩大了。而大部分短距离无线技术都有1个典型的最大范围：10m或更短，但是部分网状结构没有最大通信距离的限制，因为它所有的节点都被用作中继器或路由器。在图1中，节点A通过以下路径传送信号到ZigBee基站节点：A-B-ZigBee基站节点，另一替代路径为：A-D-C-ZigBee基站节点，也还有其他几种冗余的路径。

而要传输的数据被放在1个数据包里，数据包从一个节点跳跃到另一个节点，直到到达ZigBee基站节点。然后，数据由ZigBee基站节点汇总并发送到PC机、服务器、局域网或网络终端进一步传送。如果由于信号通道阻塞、坏节点或多重路径衰减，一条路径失败了，信号还可找到一条或多条替代路径。如果一个节点的电池没电了，它会从网络中退出来，其他节点却能经由可供选择的跳跃来转接数据。

2系统软件设计

2.1 ZigBee节点的软件设计

（1）IEEE802.15.4部分。由RF芯片CC2420提供物理层和MAC层功能。

（2）上层协议。使用成熟的协议栈（可靠性和兼容性），如Z-Stack.

（3）用户程序。根据ZigBee规范的规定，应用各厂商提供的API函数来实现ZigBee的全部功能，进行组网开发。

（4）TinyOS系统设计。

2.2 ZigBee协议栈设计实现

系统采用Microchip的开源ZigBee协议栈，该协议栈是ZigBee的精简协议栈，实现了大部分功能。

IEEE802.15.4—2003标准定义了下面的2个层：物理层（PHY层）和媒介层（MAC层）。ZigBee联盟在此基础上建立了网络层（NWK层）以及应用层（APL层）的框架。APL层又包括应用支持子层（APS），ZigBee的设备对象（ZDO）以及制造商定义的应用对象。Microchip协议栈根据ZigBee规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口（API）则在头文件中定义。每个层为紧接着的上一层定义一组容易理解的函数。要实现抽象性和模块性，顶层总是通过定义完善的API和紧接着的下一层进行交互。特定层的C头文件（如zAPS.h）定义该层所支持的所有API.而用户应用程序总是与应用编程支持层和应用层交互。由每层提供的很多API都是简单的C语言宏，调用下一层中的函数。

2.3 ZigBee路由算法AODV

本系统结构为部分网状拓扑接口，采用AODV进行路由算法。所谓AODV指的是一种在距离矢量基础上的按需路由算法，对需要的路由进行保持，对于通信过程中没有达到目的的路由不需要节点维持。与源节点路由不同，节点只需要对吓一跳记住，不用记住整个路由。所以，该算法能够实现网络中各移动节点自启动的、动态的逐跳路由。如果链路断开，受到影响的节点会收到AODV的通知，系统可确认这些节点无效。对于AODV而言，其对移动节点响应链路的破损是允许的，并且对网络拓扑可及时进行更新。

2.4 ZigBee基站节点及上位机软件设计

基站节点软件设计相对比较简单，主要包含嵌入式系统TinyOS设计、硬件驱动设计及协议栈设计，其中协议软件开发工具采用Z-StsckZigBee协议。作为控制中的核心设备，上位计算机必须要能够实现数据处理、网络唤醒及理由维护等功能，所以在进行上位机系统设计中，微软的VisualBasic、DelPhi及C++Builder都可以作为系统开发的工具来应用。本系统中，采用DelPhi作为上位机软件设计的开发工具。

总结：

ZigBee是一个针对传感器网络、建筑自动化等应用的短距离无线技术规范.ZigBee是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为满足小型、廉价设备的无线联网和控制而制定的.它按高度省电要求设计，因此低功耗和较低数据传输率意味着不会和Wi-Fi等其它无线技术竞争，而是作为传感路网络等应用的性价比较高的方案。

参考文献：

[1]李丽丽.基于ZigBee的短距离无线通讯技术研究[D].中北大学，2010.

[2]林国利.基于ZigBee短距离通信技术在工业控制上的应用[J].中国科技博览，2012（21）：635-635.endprint