基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用

    引言

    無線網(wǎng)絡(luò)的市場發(fā)展在邏輯上可分為而向語音的市場和面向數(shù)據(jù)的市場兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無線網(wǎng)絡(luò)中，小型、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4規(guī)定。ZigBee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率PAN(個(gè)人局域網(wǎng))或者IEEE802.11x無線局域網(wǎng)更加簡單實(shí)用。

    1 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee技術(shù)

    IEEE的無線PAN工作組制定的IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)，目的是為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速連接。

    1.1IEEE802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)

    IEEE802.15.4滿足ISO(國際標(biāo)準(zhǔn)化組織)OSI(開放系統(tǒng)互連)參考模式。它定義了單一的MAC(媒體訪問控制)層和多樣的物理層，如圖1所示。

    IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS(業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型1的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4的MAC層服務(wù)。

    IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868／915MHz物理層2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它們都基于DSSS(直接序列擴(kuò)頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。915／868 MHz頻段是基于差分編碼的BPSK(二進(jìn)制相移鍵控)，2.4 GHz頻段采用十六進(jìn)制正交調(diào)制。2.4 CHz頻段共有16個(gè)不同的信道為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，采用高階調(diào)制技術(shù)能提供250 kbit／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更省電。868 MHz是歐洲的ISM頻段，只有1個(gè)信道，915 MHz是美國的ISM頻段，有10個(gè)信道，引入這2個(gè)頻段避免了2.4 GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868 MHz傳輸速率為20 kbit／s，916 MHz傳輸速率為40 kbit／s。這2個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小，因此可降低對接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。

    1.2ZigBee技術(shù)

    ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。

    ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，如圖2所示。

    a)物理層：遵循IEEE802.15.4協(xié)議，是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著與外界直接作用的任務(wù)，控制RF收發(fā)器工作，采用擴(kuò)頻通信，信號(hào)傳輸距離為室內(nèi)50m，室外150 m。

    b)MAC層：遵循IEEE802.15.4協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址。

    c)網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。

    d)應(yīng)用層：應(yīng)用支持層維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信，根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。

    2 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

    Zigbee支持星形網(wǎng)、對等網(wǎng)和混合網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3是混合型ZigBee組網(wǎng)。每種網(wǎng)絡(luò)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。星形網(wǎng)以一個(gè)功能強(qiáng)大的主器件作為網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全網(wǎng)的工作，其他的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內(nèi)。這種網(wǎng)絡(luò)的控制和同步都比較簡單，適用于設(shè)備數(shù)量比較少的場合。對等網(wǎng)又分為點(diǎn)對點(diǎn)和簇樹形2種，是由主器件連接而成的。這種網(wǎng)絡(luò)能提供更高的可靠性。星形網(wǎng)和對等網(wǎng)相結(jié)合形成了混合網(wǎng)，各子網(wǎng)內(nèi)部以星形連接，主器件又以對等方式相連。這種網(wǎng)絡(luò)適用于對網(wǎng)絡(luò)要求最復(fù)雜的情況。一般在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用環(huán)境中，混合型具有更大的實(shí)用性。

    在無線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是由軟件層和硬件層共同配合來實(shí)現(xiàn)功能的。在應(yīng)用ZigBee芯片建立無線傳感器網(wǎng)時(shí)，ZigBee芯片硬件內(nèi)置物理層和MAC層的一部分功能，其他高層由外而的MPU解決，通過對MPU的寫入，來實(shí)現(xiàn)ZigBee的高層協(xié)議。圖4為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

    節(jié)點(diǎn)應(yīng)用部分裝置根據(jù)監(jiān)控的不同位置(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或?yàn)a染物)起不同的作用。通常這些裝置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它們的資源(能源、存儲(chǔ)、計(jì)算速度和帶寬)嚴(yán)重受限。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備一個(gè)無線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源(通常為電池)。這些裝置互相幫助，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭慌_(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。

    由于大部分的節(jié)點(diǎn)只需要有數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，不需要有控制能力，ZigBee技術(shù)將節(jié)點(diǎn)從器件上分為3類(見圖3)：

    a)RFD(簡化功能器件)。RFD內(nèi)存小，功耗低，在網(wǎng)絡(luò)中作為源節(jié)點(diǎn)，只發(fā)送與接收信號(hào)，并不起轉(zhuǎn)發(fā)器／路由器的作用。

    b)FFD(全功能器件)。在網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD是具有轉(zhuǎn)發(fā)與路由能力的節(jié)點(diǎn)，擁有足夠的存儲(chǔ)空間來存放路由信息，并且處理控制能力也相應(yīng)得增強(qiáng)。

    c)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)或網(wǎng)關(guān)。ZigBee還支持第3種節(jié)點(diǎn)，即網(wǎng)絡(luò)主機(jī)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，起到與外部系統(tǒng)接口或協(xié)調(diào)與其他網(wǎng)絡(luò)的路由作用。FFD有時(shí)起網(wǎng)關(guān)的作用。

    一個(gè)網(wǎng)絡(luò)只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，其他終端設(shè)備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價(jià)格要比FFD便宜得多，其占用系統(tǒng)資源僅約為4kB，因此網(wǎng)絡(luò)的整體成本比較低。

    通常，底層FFD和RFD將由MCU(微控制器)控制，該MCU通過隊(duì)列QSPI(串行外設(shè)接口)與ZigBee收發(fā)器相連。MCU的選擇取決于該設(shè)備是否作為一個(gè)其下仍轄有ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的FFD?；A(chǔ)的RFD通常由一個(gè)8位MCU控制，但對FFD來說，根據(jù)其復(fù)雜程度及所連接的網(wǎng)絡(luò)，其控制單元可以是8位、16位或低端的32位MCU。

    PAN協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)以及與中央控制點(diǎn)的通信，所以它是構(gòu)建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在。對PAN協(xié)調(diào)器的關(guān)鍵要求包括：

    a)在更大更復(fù)雜的系統(tǒng)(如一個(gè)制造場所)，其中央控制點(diǎn)很可能超出ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN協(xié)調(diào)器可能需通過有線連接與中央控制點(diǎn)進(jìn)行通信。因?yàn)橐蕴W(wǎng)在工業(yè)市場的應(yīng)用越來越普及，所以在大多數(shù)場合，以太網(wǎng)是最可能的選擇。系統(tǒng)中以太網(wǎng)的應(yīng)用為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶來兩個(gè)潛在影響：一是要考慮處理以太網(wǎng)接口所需的處理器帶寬；二是為驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口，網(wǎng)絡(luò)將需要相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)程序和協(xié)議棧，這就增加了系統(tǒng)內(nèi)PAN控制器對程序存儲(chǔ)器的需求。

    b)驅(qū)動(dòng)整個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)的通信。因?yàn)橐粋€(gè)大的PAN網(wǎng)絡(luò)將使通信量增加，所以PAN協(xié)調(diào)器需要更高的帶寬。

    c)標(biāo)記整個(gè)ZigBeePAN。PAN協(xié)調(diào)器必須存儲(chǔ)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的“地圖”，并識(shí)別網(wǎng)絡(luò)內(nèi)哪些節(jié)點(diǎn)是FFD或RFD以及各部分的功能。對復(fù)雜的大型工業(yè)系統(tǒng)來說，為存儲(chǔ)這樣一張圖將需要更多的存儲(chǔ)器。

    d)具備與網(wǎng)絡(luò)中的新節(jié)點(diǎn)建立動(dòng)態(tài)鏈接的能力。在大型系統(tǒng)的使用周期中，系統(tǒng)可能需要添加新節(jié)點(diǎn)。PAN協(xié)調(diào)器必須能容易地與這些新節(jié)點(diǎn)建立連接，無論它們在網(wǎng)絡(luò)中的任何一點(diǎn)，也無論它們是FFD還是RFD。此外，PAN協(xié)調(diào)器要能確定這些新節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的職責(zé)。為使PAN協(xié)調(diào)器有效地履行這種任務(wù)，它需要更大的小地程序存儲(chǔ)器，因而也必須具備訪問這些存儲(chǔ)器的能力。

    一個(gè)基于ZigBee的WPAN(無線個(gè)域網(wǎng))能支持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn)，外加一個(gè)全功能器件，即可實(shí)現(xiàn)雙向通信完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4kB或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32kB。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。

    3 基于ZigSee芯片構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)

    基于ZigBee芯片構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)是由一組ZigBee節(jié)點(diǎn)以AdHoc方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者傳感器、感知對象和觀察者，它們是傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)基本要素；傳感器與觀察者之間的通信方式是無線，用于存?zhèn)鞲衅髋c觀察者之間建立通信路徑；協(xié)作地感知、采集、處理、發(fā)布感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。一組功能有限的傳感器協(xié)作地完成大的感知任務(wù)是傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。節(jié)點(diǎn)問以AdHoc方式進(jìn)行通信。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以充當(dāng)路由器的角色，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備動(dòng)態(tài)搜索、定位和恢復(fù)連接的能力。

    基于ZigBee芯片構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)可以利用GSM(全球移動(dòng)通信系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)、CDMA(碼分多址)網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制(見圖5)，網(wǎng)絡(luò)可以采用星形或者混合型拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低每個(gè)ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，減少傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)相互碰撞的概率。

    中央控制中心通過網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)連接，匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給匯節(jié)點(diǎn)；控制中心通過網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯節(jié)點(diǎn)主要用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。ZigBee模塊與MCU之間的連接是通過異步串行口實(shí)現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kB／s，MCU控制通信模塊完成匯節(jié)點(diǎn)和中央控制中心的通信，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)，因此16位MCU要利用軟件中斷實(shí)現(xiàn)對不同ID匯節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過MCU處理后傳出。匯節(jié)點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。

    近來旭昂成功開發(fā)出一種ZigBee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊，這種模塊主要是利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集來的信息通過TCP／IP協(xié)議上傳到互聯(lián)網(wǎng)上，無論你身處世界的那個(gè)角落，都可以通過ZigBee轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。也可以通過GSM網(wǎng)絡(luò)，采用Sie-mens公司TC35模塊作為數(shù)據(jù)傳輸終端，可以快速、可靠地實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸。利用MSP430MCU控制TC35模塊完成匯節(jié)點(diǎn)和中央控制中心的通信。

    4 結(jié)束語

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)的結(jié)合有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要探討了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用。根據(jù)ZigBee協(xié)議提出Zig-Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，探討經(jīng)由GSM網(wǎng)絡(luò)、CDMA網(wǎng)絡(luò)或者以太網(wǎng)在更大的范圍內(nèi)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)達(dá)到對信息的控制和采集。這種方式在現(xiàn)實(shí)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。在不遠(yuǎn)的將來，將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備投入應(yīng)用，并將極大地改善我們的生活方式和體驗(yàn)。