Ｚｉｇｂｅｅ星形傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

武俊鵬　孫建國(guó)　張國(guó)印

文章編號(hào)：1672-5913(2009)10-0178-02

摘要：基于Zigbee的星形傳感器實(shí)驗(yàn)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中不可或缺的一部分，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生更好的掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)原理和物理結(jié)構(gòu)，本文從構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)入手，系統(tǒng)講述了Zigbee星形網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思路，利用該網(wǎng)絡(luò)可以完成日常的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；傳感器；網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1技術(shù)介紹

IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層再加上ZigBee的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用支持層所組成的，其突出的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持極低成本、易實(shí)現(xiàn)、可*的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等。該標(biāo)準(zhǔn)一出現(xiàn)就引起了業(yè)界的廣泛重視，短短一年多的時(shí)間內(nèi)便有上百家集成電路、運(yùn)營(yíng)商等宣布支持IEEE 802.15.4/ZigBee，并且很快在全球自發(fā)成立了若干聯(lián)盟。

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(wú)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(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。

2ZigBee協(xié)議組成

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。

(1) 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150m。

(2)MAC層：遵循IEEE802.15.4協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)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。

(3) 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(kāi)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)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(duì)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(duì)通信加密。

(4) 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(kāi)發(fā)。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有如下特點(diǎn)：

(1) 低速率，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常只需定期傳輸諸如溫度、濕度之類(lèi)的傳感器數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量小，采集數(shù)據(jù)頻率低；

(2) 近距離，兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的距離通常在幾十米到幾百米之間；

(3) 低功耗，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池，而且分布區(qū)域廣，環(huán)境復(fù)雜，有些區(qū)域甚至人員無(wú)法到達(dá)，通過(guò)更換電池的方式來(lái)補(bǔ)充能量是不現(xiàn)實(shí)的，因此要求節(jié)點(diǎn)具有極低的功耗；

(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大，要求網(wǎng)絡(luò)能夠容納上千甚至上萬(wàn)的節(jié)點(diǎn)；

(5) 動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)地處復(fù)雜的地理環(huán)境，環(huán)境干擾和能量的耗盡，容易造成節(jié)點(diǎn)故障，因此要求傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自愈特性，即動(dòng)態(tài)組網(wǎng)功能；

(6) 低成本，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，一旦布置到監(jiān)測(cè)區(qū)域后，就不再回收，因此要求成本低廉。

4ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Zigbee支持星形網(wǎng)、對(duì)等網(wǎng)和混合網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(jiǎn)單，適用于設(shè)備數(shù)量比較少的場(chǎng)合。對(duì)等網(wǎng)又分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和簇樹(shù)形兩種，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(duì)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(duì)等方式相連。這種網(wǎng)絡(luò)適用于對(duì)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(wú)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(lái)實(shí)現(xiàn)功能的。

5網(wǎng)絡(luò)的搭建

由于Zigbee線傳感器星形網(wǎng)絡(luò)的搭建簡(jiǎn)單，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。下面著重介紹星形傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建。該網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)各個(gè)傳感器模塊的信息采集和傳送。中心節(jié)點(diǎn)主要用于接收各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行壓縮處理后通過(guò)擴(kuò)展接口傳送至服務(wù)器端。如圖1-1所示：

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是有序的。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有唯一的MAC地址，這是通過(guò)預(yù)編程設(shè)定的。ZigBee有一套地址分配機(jī)制保證地址不會(huì)重復(fù)。網(wǎng)絡(luò)一旦建立，拓?fù)潢P(guān)系和網(wǎng)絡(luò)地址就會(huì)保存在各自節(jié)點(diǎn)的Flash中。網(wǎng)絡(luò)建立后，各節(jié)點(diǎn)就可以通過(guò)各自的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行通訊了。

我們實(shí)驗(yàn)時(shí)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用CC2430模塊，該模塊中采用CC2430芯片，它包括了一個(gè)高性能的2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。通過(guò)此模塊的通用I/O接口擴(kuò)展串口模塊，能夠接收多個(gè)傳感器模塊，具有良好的可擴(kuò)展性。

節(jié)點(diǎn)中采用ZigBee 2004協(xié)議，該協(xié)議支持自組網(wǎng)絡(luò)，并且在應(yīng)用層具有較好的接口。在發(fā)送信息前，該模塊先通過(guò)初始化函數(shù)radioInit(UINT32 frequency, BYTE localAddress)獲得自身的十六位地址BYTE remoteAddress，然后通過(guò)發(fā)送函數(shù)radioSend(BYTE* transmitData, WORD dataLength, BYTE remoteAddress, BYTE doAck)生成網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信號(hào)。如果該節(jié)點(diǎn)的的地址在中心節(jié)點(diǎn)中有備案，則允許其加該入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)收到應(yīng)答信號(hào)后，節(jié)點(diǎn)將以字符串的形式將信息上傳到中心模塊。終端節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖1-2所示：

傳感器模塊采用51單片機(jī)控制，通過(guò)擴(kuò)展串口與采集模塊相連，其主要負(fù)責(zé)接收和處理采集數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)中傳感器采用的是數(shù)字溫度傳感器DS18b20，該傳感器的精度高，使用方便，傳感器的采集數(shù)據(jù)經(jīng)串口ZigBee模塊發(fā)送。由于擴(kuò)展了2個(gè)串口，可以根據(jù)實(shí)際需要方便、快捷地?cái)U(kuò)展其他類(lèi)型的傳感器模塊。

6結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)的結(jié)合能夠解決實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的一定局限性，完成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必備實(shí)踐內(nèi)容，利用該網(wǎng)絡(luò)還可以促進(jìn)進(jìn)行有關(guān)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和科學(xué)發(fā)明。

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