試論ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

文丨劉 鵬

（長江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北荊州 434023）

1 前言

隨著近年來傳感器和通信以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在工作生活中的廣泛應(yīng)用，并與微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的互相融合，促使了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的產(chǎn)生。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其具有較強(qiáng)的協(xié)作感知功能和能夠自主的處理由部署在固定區(qū)域內(nèi)的各個(gè)微型傳感器所采集到的信息，為觀察者提供了較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控組織系統(tǒng)而受到諸多用戶的喜愛和關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)曾因其多學(xué)科的電子技術(shù)、新興、前沿的熱點(diǎn)的通信手段被美國的《商業(yè)周刊》評(píng)為21世紀(jì)對(duì)人類未來生活帶來極大影響的新興技術(shù)。在技術(shù)的不斷進(jìn)步中，其適用的范圍逐步擴(kuò)大，目前被廣泛應(yīng)用于軍事、建筑物建造、國防安全、環(huán)境保護(hù)、衛(wèi)生系統(tǒng)、家庭日用等多個(gè)系統(tǒng)和領(lǐng)域。盡管傳感器還處于發(fā)展的初級(jí)階段，但其未來市場(chǎng)價(jià)值和發(fā)展趨勢(shì)不可忽視。

2 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)具有多種優(yōu)點(diǎn)，如成本不高、損耗較低、速率不高、短時(shí)延、交稿的容量和安全性能交稿等。ZigBee技術(shù)中如20～250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)這些原始數(shù)據(jù)吞吐率和數(shù)據(jù)傳輸速率足夠客戶滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的各種需求。ZigBee節(jié)點(diǎn)在其待機(jī)模式下，兩節(jié)普通的5號(hào)電池可使其使用大約6～24個(gè)月，方便了不停換電池或者充電的繁瑣。而其數(shù)據(jù)傳輸速率較低，協(xié)議不難，免收專利費(fèi)用又在很大程度上降低了開發(fā)的成本，大大降低了開發(fā)成本，ZigBee響應(yīng)速度很快，一般從低消耗的睡眠狀態(tài)下到進(jìn)入工作狀態(tài)只需要15ms，而其節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)則只需要30ms，極大地節(jié)約了電耗。一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)RFD 和FFD，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，很大程度上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活的目標(biāo)。ZigBee又具備了三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的安全模式，充分使用了接入控制清單，在很大程度上阻止了外界對(duì)數(shù)據(jù)的非法獲取，同時(shí)采用了具有更加高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱密碼，為實(shí)現(xiàn)更高的安全性能提供了技術(shù)保障。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)成一般包括傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink）和管理節(jié)點(diǎn)（manager node）三個(gè)方面。大量的傳感器的節(jié)點(diǎn)不規(guī)則分布在整個(gè)被觀測(cè)的區(qū)域中，利用具備的自發(fā)功能創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)首先在將檢測(cè)到的相關(guān)信息進(jìn)行必要的整理后，通過多跳中繼的形式將其傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，然后通過互聯(lián)網(wǎng)等傳送到終端用戶所使用的的管理節(jié)點(diǎn)上。 反過來終端用戶也可通過對(duì)管理節(jié)點(diǎn)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器的各個(gè)節(jié)點(diǎn)通常使用嵌入式系統(tǒng)，但是由于其體積、價(jià)格和電源供給等方面確定，其作業(yè)的處理能力和存儲(chǔ)能力比較薄弱，通信距離也有很大的限制。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用的匯聚節(jié)點(diǎn)則具有很強(qiáng)的作業(yè)處理能力和存儲(chǔ)及通信能力，無線傳感器不但具有強(qiáng)大的能量供應(yīng)系統(tǒng)，還能夠通過其特殊的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量。其通過協(xié)議的轉(zhuǎn)換方式以實(shí)現(xiàn)管理各個(gè)節(jié)點(diǎn)與傳感器的網(wǎng)絡(luò)通信，把其所收集到各種數(shù)據(jù)及信息再轉(zhuǎn)發(fā)到外部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上，并同步管理節(jié)點(diǎn)和接收到的任務(wù)。

4 ZigBee 技術(shù)在無限傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

ZigBee技術(shù)是近年來發(fā)展出現(xiàn)的最新近距離無線通訊技術(shù)，具有能耗不高、成本低廉、使用簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，主要以2.4GHz為頻段、采用直接的序列擴(kuò)頻技術(shù)，已經(jīng)被越來越多的人們用來搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并一直受到人們的好評(píng)和喜愛。

標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的主要技術(shù)基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，由IEEE無限個(gè)域網(wǎng)工作組所制定的IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和媒介接入控制層。而PHY層由射頻收發(fā)器和底層的控制模塊構(gòu)成；物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)，是由MAC子層構(gòu)成。IEEE802.15.4協(xié)議采用載波監(jiān)聽，避免沖突，由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定期偵聽信道，并接收其中的信標(biāo)幀，在沒數(shù)據(jù)來往時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。ZigBee協(xié)議一般采用各自分層的定義方式，每一個(gè)分成只需完成本層的規(guī)定任務(wù)，上傳上層必要的服務(wù)內(nèi)容。完整的ZigBee協(xié)議一般都是由高層的應(yīng)用規(guī)范和應(yīng)用匯聚層以及網(wǎng)絡(luò)層加上數(shù)據(jù)鏈路層及物理層構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)層以上的所有協(xié)議則都是由ZigBee聯(lián)盟來進(jìn)行修訂和管理。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層需要供給必要的設(shè)備加入，或退出網(wǎng)絡(luò)和幀安全的機(jī)制、各種維護(hù)機(jī)制以及路由發(fā)現(xiàn)等。同時(shí)ZigBee的協(xié)調(diào)器中的網(wǎng)絡(luò)層還有對(duì)新入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行地址分配的任務(wù)。ZigBee的應(yīng)用層則負(fù)責(zé)支持包括子層、ZigBee設(shè)備、和制造商所定義的特殊的使用對(duì)象。APS 子層則根據(jù)相關(guān)設(shè)備的要求跟每個(gè)設(shè)備進(jìn)行必要的匹配，并負(fù)責(zé)維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定列表以及在設(shè)備之間傳達(dá)信息。ZDO主要負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)和提供網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備的應(yīng)用服務(wù)。通常條件下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可以被分為兩種型號(hào)，一個(gè)是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，同時(shí)可以同網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信的全功能設(shè)備，另外是簡(jiǎn)化的功能設(shè)備，它只能與FFD通信，而不能作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)者，兩個(gè)RFD之間職能進(jìn)行間接通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)所定義的三種功能設(shè)備是：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。前兩種都屬于FFD，而最后的則是RFD。

ZigBee以不同的、獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過利用無線通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲饕ㄐ切?、樹型以及網(wǎng)狀網(wǎng)三種模式，在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況選擇適合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最少需要一個(gè)FFD為Coordinator建構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及進(jìn)行相關(guān)的協(xié)調(diào)輔助。為解決資金，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的大部分節(jié)點(diǎn)都為 RFD。

5 根據(jù)家庭ZigBee技術(shù)的應(yīng)用解讀ZigBee技術(shù)

作為系統(tǒng)靈魂和控制核心而存在的家庭網(wǎng)關(guān)，其主機(jī)為嵌入式的系統(tǒng)平臺(tái)，如果外接一個(gè)應(yīng)用有ZigBee技術(shù)的短程無線收發(fā)設(shè)備，那么就很容易實(shí)現(xiàn)其對(duì)家庭區(qū)域網(wǎng)中多種設(shè)備的控制。而且還可以向外部提供多種遠(yuǎn)程控制的智能操作口，系統(tǒng)的管理員能利用其中的任意一臺(tái)連接到因特網(wǎng)上的PC機(jī)從而達(dá)到訪問Web頁的目的，在家庭生活中，ZigBee的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)具體表現(xiàn)在可以通過在設(shè)備中嵌入帶有ZigBee芯片的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣就形成了一個(gè)家庭的內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以輕松控制連接到這臺(tái)設(shè)備上的各種電子設(shè)備，如水表、監(jiān)控系統(tǒng)、天然氣馬表、和電表等。而每一個(gè)電子設(shè)備都構(gòu)成了這個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過這些節(jié)點(diǎn)，各個(gè)電子設(shè)備之間可以互相協(xié)作并進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)傳送和接收，為家庭生活提供更加便利和舒適的生活環(huán)境，為了達(dá)到控制系統(tǒng)的智能化，ZigBee技術(shù)還可以將手機(jī)加入到其中，以輕松實(shí)現(xiàn)各種便利化的生活方式，如控制空調(diào)溫度，開關(guān)防盜門等。

6 小結(jié)

ZigBee技術(shù)在目前的無線通信領(lǐng)域中已發(fā)展成為第一大支柱技術(shù)，其不但得到了IEEE國際標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)同，還在現(xiàn)今的無線通訊技術(shù)中有著其他通訊手段無法比擬的優(yōu)勢(shì)，其在軍士、工業(yè)、家庭和交通等領(lǐng)域、方面的應(yīng)用也在越來越多的得到重視，現(xiàn)在的很多科學(xué)研究團(tuán)體和學(xué)術(shù)界也在為ZigBee技術(shù)的更廣泛應(yīng)用而努力，隨著時(shí)代的進(jìn)步，在不久的將來，ZigBee技術(shù)得到完善和改進(jìn)后必將進(jìn)入各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，為人們的日常生活和工作提供各種便利，隨著網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的不斷改進(jìn)，人們對(duì)于通信系統(tǒng)的改進(jìn)和日常生活的智能管理的關(guān)注也越來越多，人們已經(jīng)漸漸不滿足于當(dāng)前的技術(shù)水平和通信的現(xiàn)狀，而ZigBee技術(shù)技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，正好迎合了人們的這種需求和心里，當(dāng)然，ZigBee技術(shù)也并非沒有缺點(diǎn)，其寬帶小、速度慢都在制約著其在其他一些諸如圖像處理領(lǐng)域的發(fā)展。然而，我們有理由相信，隨著ZigBee 技術(shù)的不斷改進(jìn)，其必將克服現(xiàn)狀，為人們帶來更好的技術(shù)和設(shè)備管理方式。

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