ZigBee无线传感器网络技术及其应用探讨

王思华，郑树强，丁轶华

(太原卫星发射中心技术部，山西 太原 030027)

0 引言

通信系统包括光纤通信、卫星通信和微波等分系统。长途光缆采用架空和地埋的方式，容易被车辆、洪水和人为等外力损伤；卫通、微波等分系统的室外单元处于暴露环境，经受日晒、雨淋和冰冻等侵蚀，容易出现设备性能下降甚至损坏的风险；机动到远端站点的卫通车没有充足的技术支援和更多备份件的保障；无人值守机房完全依靠维护人员定期的保养，出现失火、非法闯入等异常情况难以及时发现。这些都是通信系统的薄弱环节，虽然采取了部分机房部署动力环境监控系统，雨季及施工期加强巡线检查等措施，但部分措施如巡线检查等，耗费人力较大，且实时性较差。

为了全面提升通信系统可靠性，迫切需要对这些薄弱环节进行监测，判断是否存在火灾隐患，设备是否被雨水浸泡，室外线缆接口、关键部件是否有结露、结冰现象，无人机房是否有非法人员入侵。及时发现隐患，采取相应措施进行预防或处理。

1 ZigBee传感器网络技术

1.1 微型传感器

信息的采集需要传感器。考虑到要尽可能对原有设备、线路的影响降到最低，要求传感器体积尽可能小、功耗尽可能低，可采用MEMS微型传感器。MEMS微型传感器集信号采集、处理和控制功能于一体，面积大多在1 mm2以下[1-2]。

1.2 ZigBee技术

传感器获取的信息向外传递，可通过有线或无线通信方式。由于传感器部署相对分散、且部署位置有时需临机调整，因此，信息传递首选灵活、便捷的无线通信方式。

ZigBee是一种低速率、低成本、近距离的无线网络传输技术[3]，可工作于2.4 GHz，915 MHz，868 MHz三个频段，最高传输速率分别为250，40，20 kbps[4-5]。ZigBee设备节点间传输距离一般在75 m以内，通过选用大功率芯片实现节点间1.5 km及以上距离的传输[6]。ZigBee设备根据功能可分为协调器、路由器和终端设备3类。协调器在每个网络中只有一个，负责建立和维护网络；路由器是中继节点，可以路由寻址并转发数据；终端设备负责发送和接收信息[7]。

1.3 ZigBee传感器网络

ZigBee传感器网络是由监测区域内的微型传感器，通过ZigBee通信方式形成的一个多跳自组织网络。在某些节点严重受损或网络结构因故发生变化时，可迅速调整拓扑结构以维持通信[8]。ZigBee传感器网络组成如图1所示。

图1 ZigBee传感器网络组成

监测区域内，传感器节点采集的数据通过ZigBee终端沿着路由器节点逐跳传输，经过多跳后到协调器，经网关转发到达外部网络。

传感器节点是ZigBee传感器网络的基本单元，一般包括功能模块、控制模块、无线通信模块以及能量供应模块[9]。功能模块完成监测信息的采集和数据模/数转换等；控制模块负责对数据进行存储和处理；无线通信模块负责与路由器进行通信；能量供应模块负责提供各模块工作所需能量[10]。传感器节点结构示意如图2所示。

图2 传感器节点结构

协调器是连接传感器节点与网关的纽带，它一方面保证来自上层相关指令的传递，另一方面保证获取的数据信息上传至网关。网关负责数据的转发及网络管理。数据服务器用于监控并管理传感器网络[11]。

2 应用探讨

2.1 传感器选择及布设

微型传感器类型多样，可探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小和速度等周边环境的多种现象[12]。单位通信系统需要监测的环节包括工作环境恶劣的室外单元、易损的光电缆、易受周边安全因素影响的卫通车及无人机房。因此，传感器应选择结冰传感器、张力传感器、红外、烟雾、水浸、温度和湿度等传感器。

传感器布设的位置和数量需要根据监测对象和应用场景确定。在卫通天线伺服机构的丝杠处可布设结冰传感器，通过采集数据能够判断是否存在结冰影响天线转动。在天线馈源附近和室外线缆接头处布设水浸传感器，能够判断是否存在露水或被水浸泡，防止影响通信质量的事情发生。在架空电缆和光缆表面帖附张力传感器，可以监测到刮风、车挂等外部力量对光缆和电缆的牵拉力量，从而可预估出电缆和光缆损坏的可能性。机动到远端点的卫通车和平常无人值守的远端通信点可布设门禁、烟雾、温度、水浸和湿度等传感器，及时判断机房或设备是否着火、被水淹和被偷盗等情况。

2.2 ZigBee传感器局域网构建

由于单位通信系统点多、线长、面广，需要布放的传感器数量多、范围广。为简便起见，可依托现有各通信站点，在传感器布放相对集中的区域构建ZigBee传感器局域网，各局域网信息再通过外部广域网传递到数据服务器。

ZigBee传感器局域网包括一个网关节点和若干传感器节点。网关节点发挥双重作用，一是充当网络协调器的角色，负责本局域网的自动建立、维护；二是作为局域网与外部网的网关接口[13]。

传感器与ZigBee模块的通信可使用Jennic公司的JN5139芯片。JN5139芯片集成了用于无线传感器网络的完全兼容的2.4 GHz收发器、微控制器、192 KB ROM、96 KB RAM以及丰富的外设。采用JN5139芯片，可通过软件定义网络协调器节点、路由器节点和终端节点[14-15]。

2.3 IP网络接入

传感器采集的信息需通过外部网络传输到数据服务器，考虑到单位通信系统点多、线长、面广，专门部署外部网络成本较高。目前单位IP网已覆盖通信系统各站点，故可考虑将传感器采集的信息通过无线局域网就近接入单位IP网。单位IP网带宽较宽，传感器采集的信息数据量很小，接入单位IP网产生的流量不会影响到单位IP网原有业务的传输。

2.4 安全

为了安全，防止无线信息向外泄漏，在ZigBee网络信息传输时进行加密。通常的ZigBee网络都采用高安全性的AES对称密码进行信息加密，能够确保信息传输的安全性。

在ZigBee网络与IP网之间传输信息时，可以考虑加入防火墙、防病毒网关等设备。

3 结束语

依托已覆盖单位各通信站点的IP网，ZigBee传感器网络能监测到薄弱环节并将监测信息汇总到数据服务器，一旦发现隐患或异常可及时处置。随着无线网络及微型传感器技术的发展，传感器网络的组织将更加灵活，接入将更加便捷和标准化。结合大数据分析技术，ZigBee传感器网络技术一定会在单位环境监测、设施设备可靠性分析等方面得到更广泛的应用。