ZigBee网络

ZigBee网络（共11篇）

ZigBee网络 篇1

1. 引言

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[1,2,3],工作在2.4 GHz的ISM频段上,传输速率为20 kb/s-250 kb/s,传输距离为10 m-75m。Zigbee网络可由多达65 000个无线数传模块组成,在整个网络范围内,它们可以相互通信,也可与现有的其它各种网络连接,范围最大达几公里[2,3],主要适合于工业控制、传感和远程控制、智能建筑等领域。

2. Zig Bee网络的安全架构

Zig Bee标准建立在IEEE 802.15.4标准基础上,包含物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层、应用层,并定义了安全服务提供机制。物理层、媒体访问控制层则由IEEE 802.15.4标准定义。Zig Bee安全体系结构使用IEEE802.15.4的安全服务,利用这些安全服务对传输的数据进行加密处理,并提供对接入网络的设备的身份认证、密钥管理等功能。Zig Bee联盟定义的NWK、APS都包含该安全体系,他们采用128位的AES加密,CCM*模式,以及相应的密钥机制保证Zig Bee网络的安全性[2,3]。Zig Bee网络的安全架构如图1所示。

3. ZigBee网络安全分析

3.1 802.15.4安全性分析

IEEE802.15.4的安全机制是在MAC层实施的,应用通过在协议栈中设置恰当的参数表明采用了何种安全级,如果没有设置参数,那么默认没有采用安全措施。规范没有考虑确认包的安全问题。

IEEE 802.15.4定义了八种安全集,应用可以根据需要选择安全集中的任何一种,每个安全集提供不同类型的安全属性和安全保证,如表1所示。这些安全集可分为以下几类:没有安全机制,加密(AES-CTR)、认证(AES-CBC-MAC)、加密及认证(AES-CCM)。其中根据MAC的长度不同,认证、加密及认证这两种安全集又可进一步细分为不同的子安全集,MAC可以为4/8/16字节长。MAC越长,攻击者成功伪造MAC的可能性就越小,如对于一个8字节的MAC,攻击者通过暴力攻击方式成功伪造MAC的概率为2-64。规范并不要求设计者要实现所有的安全集,而只要支持Null和AES-CCM-64两种安全集,其它类型的安全集是可选的。

3.2 CCM*分析

ZigBee的NWK层的帧保护机制使用高级加密标准AES-128,CCM*安全模式。AES(Advanced Encryption Standard)是美国联邦政府采用的一种高级加密标准。ZigBee采用AES-128(密钥和数据块长度均为128位)的CCM*加密模式。CCM*加密模式是CCM(Counter With Cipher Block Chainingmessage Authentication Code)加密模式的扩展,包含CCM加密模式,同时又可单独使用CTR模式(Counter Mode)和CBC-MAC模式(Cipher Block Chaining Message Authentication Code)。

3.3 ZigBee网络密钥管理

(1)密钥层次结构

ZigBee技术在数据加密过程中,可以使用三种基本密钥:主密钥(MK)、链接密钥(LK)和网络密钥(NK)[3,4]。主密钥可以在设备制造时安装,也可以通过信任中心设置,或者是基于用户访问的数据,例如,个人识别码PIN、口令和密码等。主密钥是两个设备长期安全通信的基础,也可以作为一般的链接密钥使用。所以,必须维护主密钥的保密性和正确性。当在网络传输过程中,采用主密钥可以阻止窃听。链接密钥是在一个PAN网络中被两个设备共享的,它可以通过主密钥建立,也可以在设备制造时安装。网络密钥可以通过信任中心设置,也可以在设备制造时安装。它可应用在数据链路层、网络层和应用层。链接密钥和网络密钥不断地进行周期性的更新。当两个设备都拥有这两种密钥时,采用链接密钥进行通信。虽然存储网络密钥的开销小,但它降低了系统的安全性,因为网络密钥被多个设备所共享,所以它不能阻止内部的攻击。图2给出了ZigBee网络不同密钥的使用情况。

(2)信任中心(TC)

ZigBee安全引入了“信任中心”(Trust Center)的概念,信任中心允许设备进入网络,分配密钥和在设备间使能端到端的安全。信任中心把Zig Bee网络的安全分为两种模式:高安全模式(HS)也称商业模式(commercial)和标准模式(SS)也称居住模式(residential)。高安全模式下,信任中心维护设备列表,主密钥,链接密钥,需要控制的网络密钥,执行网络密钥更新和网络准入的政策。在此模式下,信任中心对内存的需求随着网络设备数量的增多而增加。标准模式被设计用于低安全的和居住有关的应用。在这种模式下,信任中心维护网络密钥和控制网络准入的政策,信任中心对内内存的需求不随着网络设备数量的增多而增加。在HS模式下,SKKE协议和MEA协议是强制使用的[5]。

4. ZigBee网络的安全实现

4.1 安全实现过程

ZigBee网络的安全实现过程包括加入安全的网络、认证、网络密钥的更新、端到端应用密钥的建立以及设备离开网络。图3表示了ZigBee网络的安全实现过程。图3中箭头表示过程,方框表示ZigBee设备的状态。端到端的密钥建立仅在高安全的商业模式下有效。

4.2 SKKE协议

SKKE(Symmetric-Key Key Establishment)协议的详细描述如表2所示。发起设备U和应答设备V之间使用共享MK建立一个LK。发起设备负责发送SKKE-1和SKKE-3,应答设备负责发送SKKE-2和SKKE-4。SKKE-1的数据域是由发起设备生成的EQU,SKKE-2的数据域是由应答设备生成的EQV,SKKE-3的数据域是由发起设备生成的Mac Tag2,SKKE-4的数据域是由发起设备生成的Mac Tag1。这里的设备地址是64位,kdf是密钥导出函数,它包括两个参数:共享位串和将要生成的密钥的长度。当验证收到正确的值后,设备U和V使用他们计算的值Key Data作为新的LK。H表示哈希函数,MAC表示HMAC函数(Hash Message Authentication Code)。

4.3 MEA协议

MEA(Mutual Entity Authentication)协议的详细描述如表3所示。发起设备和应答设备之间基于NK相互认证,即使用基于NK的随机数进行认证。发起设备负责发送MEA-1和MEA-3,应答设备负责发送MEA-2和MEA-4。OFC表示设备的离任的帧计数器,MAC表示HMAC函数。

5. 结束语

ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,是无线个域网不可缺少的组成部分。本文对ZigBee标准安全性分析,了解ZigBee安全机制和安全性能,可促进ZigBee标准不断发展,满足人们日益增长的安全性需求。

摘要：ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,是一种无线个域网。介绍了ZigBee网络的安全机制,描述了ZigBee的信任中心和安全密钥,详细分析了ZigBee网路的安全建立过程,以及密钥建立协议和认证协议:SKKE和MEA协议。

关键词：ZibBee,安全性,TC,Key

参考文献

[1]IEEE Std.802.15.4-2003,Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs),IEEE,2003.

[2]ZigBee Specification,ZigBee Alliance,r13,October2006.

[3]ZigBee Specification,ZigBee Alliance,r17,January2008.

[4]Ender Y/ksel,Hanne Riis Nielson,Flemming Nielson.Zig-Bee-2007Security Essentials,2007.

[5]ZigBee Smart Energy Profile Specification,ZigBee Alliance,r14,May2008.

ZigBee网络 篇2

摘 要

物联网，是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，是一个全新的技术领域，给IT和通信带来了广阔的新市场。积极发展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。

ZigBee无线通信技术是一种新兴的短距离无线通信技术，具有低功耗、低速率、低时延等特性，具有强大的组网能力与超大的网络容量，可以广泛应用在消费电子品、家居与楼宇自动化、工业控制、医疗设备等领域。由于其独有的特性，ZigBee无线技术也是无线传感器网络的首选技术，具有广阔的发展前景。ZigBee协议标准采用开放系统接口(051)分层结构，其中物理层和媒体接入层由IEEE802.15.4工作小组制定，而网络层，安全层和应用框架层由ZigBee联盟制定。

本文首先从概念、技术架构、关键技术和应用领域介绍了物联网的相关知识，然后着重介绍了基于ZigBee的无线传感器网络，其中包括无线传感网简介、ZigBee技术概述和基于ZigBee的无线组网技术。

关键词：物联网；ZigBee；无线传感器网络

物联网简介

物联网概念

“物联网概念”是在“互联网概念”的基础上，将其用户端延伸和扩展到任何物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。其定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。

最简洁明了的定义：物联网(Internet of Things)是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通的网络。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。

技术架构

从技术架构上来看，物联网一般可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层是物联网的皮肤和五官-用于识别物体，采集信息。感知层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、M2M终端、传感器网关等，主要功能是识别物体、采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用类似。感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它首先通过传感器、数码相机等设备，采集外部物理世界的数据，然后通过RFID、条码、工业现场总线、蓝牙、红外等短距离传输技术传递数据。感知层所需要的关键技术包括检测技术、短距离无线通信技术等。

网络层是物联网的神经中枢和大脑-用于传递信息和处理信息。网络层包括通信网与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能处理中心等。网络层将感知层获取的信息进行传递和处理，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。网络层解决的是传输和预处理感知层所获得数据的问题。这些数据可以通过移动通信网、互联网、企业内部网、各类专网、小型局域网等进行传输。特别是在三网融合后，有线电视网也能承担物联网网络层的功能，有利于物联网的加快推进。网络层所需要的关键技术包括长距离有线和无线通信技术、网络技术等。应用层是物联网的“社会分工”-结合行业需求，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，结合行业需求实现行业智能化，这类似于人的社会分工。

应用层解决的是信息处理和人机交互的问题。网络层传输而来的数据在这一层进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。这一层也可按形态直观地划分为两个子层。一个是应用程序层，进行数据处理，它涵盖了国民经济和社会的每一领域，包括电力、医疗、银行、交通、环保、物流、工业、农业、城市管理、家居生活等，其功能可包括支付、监控、安保、定位、盘点、预测等，可用于政府、企业、社会组织、家庭、个人等。这正是物联网作为深度信息化的重要体现。另一个是终端设备层，提供人机接口。物联网虽然是“物物相连的网”，但最终是要以人为本的，还是需要人的操作与控制，不过这里的人机界面已远远超出现时人与计算机交互的概念，而是泛指与应用程序相连的各种设备与人的交互。图1为物联网网络构架。

图1 物联网网络构架

关键技术

一、感知层

    传感器技术：感知物资信息 RFID技术：智能识别

微机电系统（MEMS）：采集信息 GPS/GIS技术：全球定位/地理信息系统

二、网络层

   无线传感器网络（WSN）技术

Wi-Fi（Wireless Fidelity,无线保真技术）

通信网、互联网、3G网络、IPV6（让世界的第一粒都拥有一个IP地址）

 GPRS网络（基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接）



三、应用层

      企业资源计划（ERP：Enterprise Resource Planning）专家系统（Expert System)

云计算（Cloud Computing）系统集成（System Integrate）行业应用（Industry Application）资源打包（Resource Package）

广电网络、NGB（下一代广播电视网）

应用领域

1.城市市政管理应用 2.农业园林 3.医疗保健 4.智能楼宇 5.交通运输

图2为物联网网络架构及物联网应用领域。

图2 物联网网络架构及物联网应用领域

基于ZigBee的无线传感器网络

物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议。

无线传传感器网络简介

电系统（MEMS)、片上系统（SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。

所谓无线传感器网络由大量部署在目标区域内的，具备感知、无线通信与计算能力的微小传感器节点所构成的分布式网络系统。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统以及节点应用程序等组成)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及供电单元(电池、太阳能或其他方式)。传感器网络可以根据当时的情况通过自组织方式构成动态的网络拓扑结构。传感器网络节点间一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。

无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网（WWAN），无线城域网（WMAN），无线局域网（WLAN）和无线个人域网（WPAN）。其中的无线个人域网就是所谓的短距离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，无载波通信技术（UWB）等, 其中蓝牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。Bluetooth虽然成本低，成熟度高，具有多种规范，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周。UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力。Wi-Fi虽然传输速度可以达到11Mbps，传输距离达到100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，组网能力差。ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，因此非常适合应用于物联网无线传感器网络中来。

ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。

基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。IEEE 802.15.4标准 1.物理层(PHY)规范

物理层定义了物理无线信道和与 MAC 层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。物理层功能相对简单，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理。数据传输包括数据的发送和接收；管理服务包括信道能量监测(energy detect，ED)，链接质量指示(Link quality indication，LQI)和空闲信道评估(clear channel assessment,CCA)等。2.媒体介质访问层(MAC)规范

MAC 层提供两种服务：MAC层数据服务和 MAC 层管理服务。前者保证 MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，而后者从事 MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。

MAC 层的主要功能包括如下7个方面：

1.网络协调者产生并发送信标帧(beacon)；

2.设备与信标同步；

3.支持RAN 网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作 4.为设备的安全性提供支持；

5.信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问(CSMA-CA)机制；

6.处理和维护保护时隙(GTS)机制；

7.在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。ZigBee技术简介

ZigBee 协议标准采用分层结构，每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务；管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接人点 SAP 为上层提供接口，每个 SAP 都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能。ZigBee 标准的分层架构是在OSI 七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中 IEEE 802.15.4—2003 标准定义了底层协议：物理层(physical layer，PHY)和媒体访问控制层(medium access control sub—layer，MAC)。ZigBee 联盟在此基础上定义了网络层(network layer,NWK)，应用层(application layer，APL)架构。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub—layer，APS)和 ZigBee 设备对象(ZigBee device object，ZDO)。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象。ZigBee 协议的体系结构如图3所示。

图3 ZigBee 协议体系结构

ZigBee 的网络层采用基于 Ad Hoc 的路由协议，除了具有通用的网络层功能外，还应该与底层的 IEEE 802.15.4标准一样功耗小，同时要实现网络的自组织和自维护，以最大限度方便消费者使用，降低网络的维护成本。应用支持子层把不同的应用映射到 ZigBee网络上，主要包括安全属性设置、业务发现、设备发现和多个业务数据流的汇聚等功能。1.网络层(NWK)规范

网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。此外，还包括设备的路由发现和路由维护和转交。并且，网络层完成对一跳(one—hop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址等。并且，网络层还提供一些必要的函数，确保ZigBee的 MAC 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。2.应用层(APL)规范

在ZigBee协议中应用层是由应用支持子层、ZigBee 设备配置层和用户应用程序来组成的。应用层提供高级协议栈管理功能，用户应用程序由各制造商自己来规定，它使用应用层来管理协议栈。3.应用支持子层(APS)APS 子层通过 ZigBee 设备对象(ZD0)和制造商定义的应用对象所用到的一系列服务来为网络层和应用层提供接口。APS 子层所提供的服务由数据服务实体(APSDE)和管理服务实体(APSME)来实现。APSDE通过数据服务实体访问点(APSDE—SAP)来提供数据传输服务。APSME 通过管理服务实体访问点(APSME—SAP)来提供管理服务，它还负责对 APS 信息数据库(AIB)的维护工作。

基于ZigBee的无线组网技术

ZigBee网络体系

ZigBee网络中存在两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。

● 功能类型

ZigBee网络含全功能设备FFD（Full Function Device）和精简功能设备RFD（Reduced Function Device）两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器（Coordinator）、路由器（Router）和普通节点（Device）而存在。而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器。

● 节点类型

ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZC（ZigBee Coordinator）、路由器ZR（ZigBee Router）和终端设备ZE（ZigBee EndDevice），其中协调器和路由器均为全功能设备（FFD），而终端设备选用精简功能设备（RFD）。

协调器：一个ZigBee网络PAN（Personal Area Network）有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。

路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。

终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。

● 拓扑结构

ZigBee网络支持星状网（Star Network），树状网（Cluster tree Network）和网状网（Mesh Network）三种网络拓扑结构如图2-1所示，依次是星状网络，树状网络和网状网络，在图4中的C表示PAN协调器，F表示全功能设备，R表示精简功能设备。

图4 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构

星形网（Star）是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。星型网络拓扑的最大优点是结构简单，无需其他路由信息，一切数据包均通过ZigBee协调器。其缺点是限制了无线网络的覆盖范围，很难实现高密度地扩展，最多支持两跳网络，适用于小型网络。目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制终端设备的通信。

网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。

树状网络（Cluster tree Network）由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为RFD，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。ZigBee 协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。

在建立树状网络时，ZigBee协调器建立网络后，先选择网络标识符，将自己的短地址设置为0，然后向它邻近的设备发送信标，接受其他设备的连接，形成树的第一级，此时ZigBee协调器与这些设备之间形成父子关系。与ZigBee协调器建立连接的设备都分配了一个16位的网络短地址。如果以终端设备的身份与网络连接，则ZigBee协调器分配一个唯一的16位网络地址；如果以路由器的身份与网络连接，则协调器会为它分配一个地址块（包含有若干16位短地址）。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为其子设备。由此可见，路由器转发消息时通过计算与目标设备的关系，从而决定向自己的父节点转发还是某个子节点转发。

网状网络（Mesh Network）一般是由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连。但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络。该拓扑的优点是减少了消息延时、增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。

● 工作模式

ZigBee网络的工作模式可以分为信标模式和非信标模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。

在信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间（一般在15ms-4mins之间）向网络广播信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个部分，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性（周期可设置）休眠。网络中所有的父节点需要为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

简单的概括为：两种设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。1.全功能设备FFD，精简功能设备RFD 2.协调器，路由器，终端设备

3.星状网，树状网，网状网

4.信标模式 ,非信标模式(信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗；而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态)。

图5为基于ZigBee的无线传感器网络在物联网中的应用。

ZigBee网络 篇3

关键词 无线传感器网络 硬件节点 CC2420 MSP430

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网是所有物品通过射频识别等信息传感设备实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，达到智能化识别和管理；物联网整合了传感器技术、通信技术和信息处理等技术，主要通过无线传感、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位、传感器等技术，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，从而给物体赋予智能，实现了物与物、人与物的互联，实现了物理世界与信息网络的无缝连接，物联网是传感网、通信网和应用系统的有机组合。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）作为物联网的组成部分，综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。本文使用模块化设计思路，实现了一个无线传感器网络。

1 Zigbee无线网络协议

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

每个Zigbee 网络节点不仅本身可以对对象监控，例如连接传感器直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee协议在无线传感器网络应用中的具有以下特点和优势：

低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全性高：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。

2.1 网络结构

一般来说，一个无线传感器网络包括传感器节点以及传感器网络网关节点，如图1所示。其中，传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和传感器网络网关节点的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输到传感器网络网关节点；传感器网络网关汇聚节点是网络的中心，具有协调器和网关的作用，负责网络的配置、管理和数据的汇集，并负责与用户PC机后台管理软件的通信。无线传感器网络通常具有两种应用模式：主动轮询模式、被动模式。主动模式要求网关节点对各个传感器节点进行主动的轮询以获得消息；而被动模式则要求在某个传感器节点事件发生时，网关节点能作出及时的响应。各个传感器节点得到的数据还能进行组合，这也很大地提高了传感器网络的效率。当然这也要求传感器节点要具有一定的计算能力。

2.2 系统硬件设计

在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且能量常常能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。

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传感器网络节点的硬件一般包括处理单元、无线传输单元、传感采集单元、电源供应单元和其他扩展单元，如图2所示。其中，处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元负责监测区域内信息的采集；无线传输单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电。传感器网络网关节点功能更多，除包含上述功能单元以外，还包含与后台监控通信的接口单元。

Zigbee网络节点设计要求如下：

（1）可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4GHZ频段是IEEE 502.15.4定义的工作在ISM频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。

（2）体积小，成本低，易于大规模布建。Zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的Zigbee网络节点有较高的性价比。

（3）可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，Zigbee网络是工作在2.4GHZ ISM频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。

（4）通用性。布建Zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是I/O操作和A/D操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。

（5）低功耗，支持电池供电。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的Zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。

Zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。

2.2.1 芯片选型

Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zigbee2007协议栈的正常运行。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

设计选用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz频段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC），它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整体设计

在网络节点硬件平台中，CC2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线rf模块完成数据收发；通过I/O口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连，通过RS232接口可实现网络节点与PC机的通信。

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线。

2.2.3 PCB设计

CC2530的Zigbee网络节点PCB设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用TI标准接口形式，结构稳固可靠。由于CC2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路，因此PCB的设计要完全适合无线传感器网络应用。PCB板的尺寸为长宽高25mm€？1mm€？.6mm，接口为11€？双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为TI的标准接口。

经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个RS232接口。

3 结束语

本文介绍了一个无线传感器网络的设计，具有低功耗，软件易开发等优点。随着社会和科学技术的日益发展，无线传感器网络将得到日益广泛的应用。目前无线传感器网络在能耗、节点规模方面还有不足，随着这些问题的解决，无线传感器网络在环境监测、智能建筑以及军事等领域必然会得到越来与广泛的应用。

参考文献

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 周挺挺，沙超，王汝传.基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师，2007，33（4）：67-70.

[4] 孙维明，石江宏，陈岳林.可编程RF收发器CC1100的原理及开发[J].国外电子元器件，2007（9）：40-42.

ZigBee网络自剪裁路由算法 篇4

Zig Bee网络是近几年出现的一种新兴网络技术,因其低功耗、低成本、低复杂度、短时延、大网络容量及高节点集成度等特点,被广泛应用于短距离低速率的数据传输场景中。然而由于Zig Bee网络中节点的能量资源有限,故Zig Bee网络路由算法必须以能量有效性为首要的设计要素。经典AODVjr算法通过全网广播RREQ消息而获得发送数据的最短路径,节点因大量广播RREQ消息,而耗能迅速,同时网络堵塞的可能性也大大增加[1]。

如何优化Zig Bee路由算法、降低网络能量消耗一直是各国学者研究关注的热点[2,3,4,5]。文献[2]提出通过控制RREQ消息洪泛范围,以降低网络整体功耗。文献[3]提出利用分 层拓扑信息 来减少AODVjr算法中的路由开销,该算法为了平衡网络能耗,将节点剩余能量作为路由度量。文献[4]提出定向转发RREQ消息,该算法能 有效减少 冗余RREQ消息的转发,从而减少节点功耗。文献[5]提出Mesh拓扑混合路由优化算法,该算法在邻居表基础上,控制RREQ消息的转发范围和转发方向, 并在选择路径时避开剩余能量较少的节点。上述算法在一定程度上限制RREQ消息的转发次数,降低了网络能量消耗,但都以节点已知其他节点位置信息为前提,而这在实际中很难实现。

针对Zig Bee网络路由算法存在问题,在AODVjr算法基础上,结合节点邻居表,提出通过筛选RREQ消息的转发节点,能有效减少RREQ消息的转发次数,从而有效降低网络整体功耗的路由算法。

1 Zig Bee网络

1. 1地址分配方式

Zig Bee网络节点类型分为协调器节点 ( Zig Bee Coordinator,ZC) 、路由器节点( Zig Bee Router,ZR) 和终端节点( Zig Bee End Device,ZED) 3种。每一个无线个域网( WPAN) 中仅仅包含一个ZC节点,它负责初始化网络和管理网络结构[6]。

Zig Bee网络有2种地址分配方式,即分布式地址分配机制( Distributed Address Assignment Mechanism,DAAM ) 和随机地 址分配机 制 ( Stochastic Address Assignment Mechanism,SAAM)[7]。树型网络拓扑中节点默认采用DAAM获得唯一的16 bit网络地址。ZC节点首先进行参数设置: Cm是网络中任一父节点最大子节点数目; Lm是网络最大深度; Rm是网络中任一父节点最大路由子节点数目。则网络深度为d的父节点为其子节点分配网络地址时,通过式( 1) 计算地址偏移量Cskip( d)[8]。网络中,只有Cskip( d) > 0的节点才具有为其子节点分配网络地址,供其加入网络的能力。

Zig Bee网络组网时,优先让ZR节点加入网络, 这样能减少ZR节点向周围节点广播拓扑变化产生的广播开销。具体的地址分配机制[9]如下:

1 ZC节点先将自身的网络地址和网络深度分别设置为0;

2对于网络深度为d,网络地址为A的父节点,其第n个ZC子节点对应的网络地址如式( 2) 所示;

3其第m个ZED子节点对应的网络地址如式( 3) 所示:

由上可知,Zig Bee网络中任 意节点可 根据DAAM计算得到自身树邻居节点( 即父节点和子节点) 的地址。

1. 2 AODVjr路由算法

Zig Bee网络中基 于路由请 求的路由 算法AODVjr是在AODV算法基础 上做出的 改进[10]。 AODVjr算法中一旦节点有路由需求,节点则会以洪泛方式向邻居节点广播RREQ消息,中间节点会向邻居节点转发接收到的RREQ消息。目的节点一旦接收到RREQ消息,将沿RREQ消息的反向转发路径发送路由回复( Route Reply,RREP) 消息,直到源节点接收到RREP消息后,路由建立完成。通过AODVjr算法可以得到源节点与目的节点之间的最短路径,但此算法在寻路过程中需转发大量RREQ消息,这就增加了全网的路由控制开销,导致网络节点因大量转发RREQ消息而能量消耗过快,造成网络分割。所以,如何降低AODVjr算法中RREQ消息的转发次数,从而降低网络控制开销和节点能量消耗一直是各国学者研究的重点。

2自剪裁广播算法

2. 1假设与定义

为了更好地描述算法,在表1中给出如下定义, 这里的A代表的是任意节点或节点集合。

由于Zig Bee网络的资源限制,进行如下假设:

1任意节点之间的距离和具体位置不可知;

2任意节点的发送功率固定且相同;

3网络拓扑不一定是以ZC节点为圆心的圆, 但节点间邻居关系是对称的: 若节点i是节点j的邻居节点,则节点j也是节点i的邻居节点;

4使用分布式地址分配机制DAAM,任意节点在没有信息交换的的前提下,可获得父节点和子节点地址;

5任意节点维护一跳邻居表,任意邻居表记录由邻居网络地址和子节点数量组成。

2. 2 Zig Bee树节点自剪裁转发算法

通常Ad hoc网络的自剪裁广播算法中,节点v接收到RREQ消息后不会直接转发,而会先判断是否需要转发RREQ消息[12]。若节点v的所有邻居节点都已经接收到节点u转发的RREQ消息,即N( v) - N( u) = φ,那么节点v就没必要转发RREQ消息了。这就需要节点获悉两跳邻居表信息,而这对于能量和带宽有限的Zig Bee网络来说是不可能实现的,所以,提出Zig Bee树节点自 剪裁算法ZOSR。ZOSR算法步骤如下:

1一旦有路由请求,源节点就会向邻居节点广播RREQ消息;

2若中间节点v首次接收到RREQ消息则将RREQ消息缓存,并启动定时器;

3节点v根据DAAM地址分配方式计算TN( v) , 令TC( v) = TN( v) ;

4节点v接收到节点u发送的相同RREQ消息,则节点v根据DAAM地址分配方式计算TN( u) ,并计算TC( v) = TC( v) - TN( u) ;

5若TC( v) = φ,节点v丢弃该RREQ消息,并停止计时器;

6重复步骤4和步骤5,直到定时器超时;

7若定时器超时,则转发缓存中的RREQ消息;

8 RREQ消息到达目的节点之前,重复步骤2 ~ 7;

9目的节点接收到RREQ消息后,沿RREQ反向路径回复RREP消息;

10源节点接收到RREP消息后建立到目的节点之间的路由。

2. 3 Zig Bee转发节点选择算法

为了进一步减少RREQ消息的转发次数,在ZOSR算法基础上提出一种Zig Bee转发节点选择算法ZOFNS,此算法根据一定准则,进一步地在未被覆盖的树邻居节点中挑选最优的转发节点进行RREQ消息的转发。ZOFNS算法具体步骤如下:

1一旦节点v有路由需求,则向邻居节点广播RREQ消息,并初始化转发节点集合,令F( v) = φ;

2利用式( 4) 分别计算节点v的备选转发节点集S( v) 和覆盖节点集C( v) ;

3节点v若接收到节点u转发的RREQ消息, 则根据式( 5) 更新节点v的备选转发节点集合覆盖节点集;

4根据N( v) 中节点网络地址对节点进行排序;

5对于节点v的任意邻居节点w,若w∈S( v) , 则令节点w的状态为“初始”状态,反之,则令w状态为“已转发”状态;

6初始化当前深度值,令Current Level = Lm;

7对于处于当前深度,且为“初始状态”的任意节点x,若x没有子节点或所有子节点深度均为Current Level + 1,则将x的状态更新为“不转发”,反之将x的状态更新为“转发”;

8对于任意深度为Current Level + 1,状态不为 “已转发”,且父节点x深度不为Current Level的节点y,若节点y的状态为“不转发”且节点x的父节点深度为Current Level - 1,则将节点x的状态设置为“转发”。否则,将节点y的状态设置为“转发”;

9更新当前 深度值,令Current Level = Current Level - 1;

10重复步骤7 ~ 9,直到Current Level = 0;

11仅状态为“转发”的节点转发RREQ消息。

3仿真分析

为了有效地评价ZOSR算法和ZOFNS算法的性能,采用MATLAB软件来进行仿真。将ZOSR算法和ZOFNS算法与Zig Bee经典路由算法AODVjr分别在节点数目为20 ~ 100个的不同场景下进行了仿真比较: 包括转发节点数目和网络转发次数等指标。

仿真时网络节点静止且随机分布,并假定仿真是在MAC层和物理层都不会有数据包丢失的理想状态下进行的,取5次仿真的平均值为最终结果,其他仿真参数如表2所示。

当仿真节点数 目为90时,AODVjr、ZOSR和ZOFNS 3种算法的转发节点分布图分别如图1 ( a) 、 ( b) 、( c) 所示,图中实心节点为RREQ消息的转发节点,空心节点为无需转发RREQ消息的节点。

由仿真结果可得出AODVjr、ZOSR和ZOFNS算法的转发节点数分别为100、26和20,且算法均能覆盖全部网络节点。这说明ZOSR、ZOFNS算法能有效减少网络中转发节点数目,这是因为ZOSR算法中节点接收到RREQ消息后不会直接转发,而是等待一段时间,根据所有树邻居节点是否已接收到RREQ消息来决定当前节点是否转发RREQ消息。 而ZOFNS算法在ZOSR算法基础上,将一跳树邻居关系推广到两跳,即若当前节点的所有邻居节点的树邻居节点全部已经接收到RREQ消息,则当前节点无需转发RREQ消息。

3. 1转发节点数

随着节点数从20增加到90( 间隔设置为10) , 3种算法的转发节点数目都呈正比例增长,如图2所示。其中,AODVjr算法的转发节点数目与网络节点总数大致相等,因为AODVjr算法中一旦节点接收到RREQ消息,会向邻居节点广播RREQ消息, 则网络中所有节点都会转发RREQ消息; 而ZOSR算法和ZOFNS算法中,随着节点总数的增加,节点密度随之增加( 因为仿真区域固定) ,从而当前节点的邻居节点数目增加,能有效减少覆盖全网所需的转发节点数目。所以,随着节点数目增加,ZOSR和ZOFNS算法中转发节点数目涨幅远远小于AODVjr算法,且ZOFNS算法在一定程度上优于ZOFNS算法法。 。

3. 2转发次数

随着网络节点总数的增加,3种算法中网络总转发次数增加,如图3所示。

其中,AODVjr算法的任 意节点一 旦接收到RREQ消息后,会将RREQ消息直接转发,所以随着节点数量增加,网络总转发次数增长较快; 然而, ZOSR算法中,虽然网络节点数量增加,但转发节点数目涨幅不大,所以网络总转发次数随着网络节点总数增加而缓慢增长; 由于ZOFNS算法改进思想类似于ZOSR算法,且转发节 点的数目 更少,所以ZOFNS算法随节点总数增加,网络总转发次数增长趋势类似于ZOSR算法,但较ZOSR算法更优。

4结束语

ZigBee网络 篇5

关键词：Zigbee，CC2430，无线网络，节点，组网

【基金项目】武汉科技大学基金资助项目（2010050X）；武汉科技大学创新基金。

随着我国工业水平的迅速发展，在给我们创造巨大的经济效益的同时，环境问题也越来越突出。水乃生命之源，对水环境监测以保证生活、工业、农业用水安全，成为人们越来越关注的焦点。

目前国内水环境监测大都采用两种方式：

便携式水质监测仪进行人工采样，由于无法远程实时检测水质参数，该方法监测周期长、劳动强度大、时效性差、针对性差；采用有线在线监测，因为采用有线，所以对环境的破坏性大、监测范围小，同时费用也比较高。以上两种方法都不能适应和满足当前信息化管理的要求。

由国外自上世纪90年代后期大力发展水环境实时自动监测系统，并已实现产品化，应用广泛，数据采集和传输速度较快。主要有美国YSI的水质垂直剖面自动监测系统，美国HACH公司的供水管网水质监测系统等。虽然他们提供的系统测量参数多、精度高、性能好，但价格昂贵、操作复杂、安装环境要求高，不适合我国现状。

因此由无线传感器组成的网络监测系统越来越受到人们的青睐。ZigBee与其他的蓝牙和Wi-Fi等无线通信标准相比，有功耗低，成本小，网络容量大，时延短，安全性高等优点。它的通信距离可达10~100m。

鉴于以上分析，本文设计的无线网络是建立在ZigBee协议的基础上的组网方案，以TI(Texas Instruments)的CC2430/31芯片为硬件电路的核心构成各个节点，最后编写上位机分析软件来处理并显示传感器送回的数据。

1 .Zegbee协议栈

Zegbee协议栈体系结构如图1所示。它是对标准的7层开放式系统互联（OSI）模型中对那些涉及Zegbee的层予以定义的。IEE802.15.4对物理层PHY(Physical Layer)和介质控制子层MAC(Media Access Control)进行定义的，Zegbee联盟定义了网络层和应用层。

其中Zegbee的通信频率由物理层来规范，负责开启和关闭无线收发信机、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、信道选择、数据收发和接送；

MAC层组要负责协调器产生网络信标、信标同步、支持PAN关联和解关联、处理和维护保证时隙机制等。

网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保Zegbee的MAC层正常工作并为应用层提供合适的服务接口（通过服务实体和管理实体）。

应用层包括应用支持子层APS, Zegbee设备对象ZDO和厂商定义的应用对象。

2.基于Zegbee的网络组建

在ZigBee网络有全功能设备FFD(Full Fuction Device)和精简功能设备RFD(Reduced Fuction Device)两种类型。FFD不仅可以发送和接受数据，还具有路由功能，可以充当Zigbee终端节点ZED(Zigbee End Device)，还可以充当ZigBee协调器ZC(Zigbee coordinater)和路由节点ZR(Zigbee router)。而RFD只能充当Zigbee终端节点。

其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络；路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。

ZigBee协议标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星型、树型、网状拓扑。如图2所示。

如上所述的三种网络中，星型网络组网最简单。但是所有的数据都要通过ZC转发，节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，并且协调器的容量限定了整个网络最大节点数目。

树型网络中，每个节点是只能和他的父节点和子节点通信，缺点仍然是信息只有唯一的路由通道。

网状拓扑解决了上述问题，网络通过“多跳级”的方式来通信，可以形成复杂的网络。以增加存取空间换取更小的消息延时和更高的可靠性。

A.ZC初始化网络

三种基本网络拓扑，可以认为星型和树型拓扑都是网状拓扑的特例。针对本设计的特点，ZC初始化网络，流程图如图3所示。

上述建网的过程的首先节点上电激活后会判断自己是否为FFD节点，接着判断该FFD节点是否在其他网络中和网络中是否已经有协调者节点。然后进行能量检测确定合适的信道。主动扫描用来检测附近的其他网络，以此保证选取本网络PAN ID不会与附近的网络重复。

B.ZR/ZED加入网络

上面ZC建成的网络，当ZR、ZED加入该ZC所建的网络后这个网络就具有实际的使用意义。加入的方式有两种：一是直接通过ZC加入；或者通过已有的节点加入。

下面以节点直接通过ZC加入网络为例介绍节点入网的过程:

(1)节点上电激活；

(2)发送主动扫描，扫描附近的协调器ZC；

(3)在预定的时间检测到协调器的信标，就向该协调器发送请求关联加入命令。否则一段时间后返回（2）重新扫描；

(4)若协调器资源不够，等待一段时间后重复（3）。若ZC资源足够并且在节点设定的时间内处理并接受节点的请求，节点接下来向协调器发送数据请求命令。

(5)协调器将关联命令发给节点，节点入网成功；

(6)上面（4）中，ZC资源足够，但是没有在节点设定的时间内处理并接受节点的请求，节点会直接从协调器的信标帧中提取关联响应命令，若提取成功则节点入网成功，否者会重新向ZC发送关联加入命令。

3 .方案设计

系统设计大致分两部分：一部分是基于ZigBee的无线网络；另一部分是上位机的分析处理软件。框图如图4所示。

因为是在实验的环境下，要处理的数据并不多，故MCU(Microprogrammed Control Unit)主要用TI的CC2430/31芯片。如果数据比较多可以考虑把中心节点的MCU换成16位或者32位的处理器;CC2430/31内部其实已经集成了无限收发模块RF(Radio Frequency)部分，其集成度较高，因而只需要外接天线；上位机部分，主要主要是处理并分析无线网络中各节点的数据，同时发送命令改变采集参数等。

A.无线模块电路

节点硬件电路图如下图5所示。

该图的主要部分是CC2430/31的外围电路和天线部分。为了传感器扩展的方便，把P0/P1口用排阵引出，并扩展了一个串口接口。方便各种外来传感器电路的直接接入。

B.上位机的数据分析处理

上位机部分主要是处理来自无线网络中各节点发来的数据，以实现对数据的储存,处理及分析。用上位机处理起来能使数据显示更直接,处理更方便,人机互动更友好。

根据本文设计的需要，以Visual C++6.0的MFC为平台量身编写了上位机数据分析处理软件。该软件能够将所无线网络中各节点发来的温度及电压等各种数据储存到Access数据库中,并能实时显示数据曲线,通过对Access操作实现查询历史数据以及显示历史数据曲线等功能。虽然界面简洁，但是处理数据方面更为灵活、自如，足以满足设计的需要。

本文在ZigBee协议的框架下，概括地介绍了基于ZigBee的无线网络的组网过程，并在实验室内通过水槽来模拟一般的水环境对水环境中水温、电导率等指标进行了测量。该方案组网简单，操作简单，有大面积推广的意义。

参考文献

[1]李善仓，张克旺.无线传感器网络原理与应用.机械工业出版社.2008

[2] 瞿雷，刘盛德，胡咸斌.Zigbee技术及应用.北京航空航天大学出版社.2007

[3] Jennie Zigbee Home SnesorDemonstrationUser Guide．JN-UG一3033 Revision1.0.2007.02

ZigBee网络 篇6

近年来, 随着传感器技术和芯片技术的飞速发展, 传统的传感器监测已经不能满足人们对信息获取的要求, 因此迫切需要一种新方法进行环境的监测。本文采用无线传感器网络技术进行周围环境的监测与控制。无线传感器网络不需要较高的传输带宽, 但却需要较低的传输时延和极低的功率消耗;而Zig Bee具有复杂度低、功耗低、成本低和安全性高的特点, 使得无线传感器网络与Zig Bee技术可完美地结合在一起。因此本文采用IEEE 802.15.4/Zig Bee协议, 设计了一种以射频芯片CC2430为核心的无线监测网络系统。

2 ZigBee协议简介

Zig Bee是Zig Bee联盟定义的无线网络标准[1,2]。ZigBee联盟提供了上层协议栈, 包括网络层、安全层和应用层。Zig Bee的通信范围大约是100m, 适合于多种应用方式, 诸如家庭自动化网络、工业控制网络、交互式玩具、远程监测等。

Zig Bee基于IEEE 802.15.4技术[3], 适合于低速率无线个域网, 传输速率分别为20k/s、40k/s和250k/s。射频工作频段分别为868MHz、915MHz和2.4GHz, 均使用直接序列扩频技术。IEEE 802.15.4仅仅规定了MAC层和物理层, MAC层使用CSMA/CA协议。

Zig Bee具有三种拓扑结构:星型网、簇状网和网状网。典型的Zig Bee个域网由全功能设备和简化功能设备组成。协调器和路由器通常是全功能设备, 总是处于开机状态。协调器支持所有点对点的连接, 负责网络的形成, 它决定是否接受新网络成员。路由器负责不同节点的路由。全功能设备可以是协调器、路由器和终端设备, 但简化功能设备只能是自动搜寻邻近协调器并与其通信的终端设备。

Zig Bee具有两种网络:信标使能网和非信标使能网。在信标使能网络中, 协调器周期性的发送信号, 终端设备使用这种信号进行数据传输的网络关联、加入与同步。Zig Bee也支持时隙CSMA/CA的延迟进行时隙的同步。在非信标使能网络中, 协调器周期性的发送信号暴露自己的存在, 以便终端设备发现自己。协调器和终端设备通过发送的数据请求信号和应答信号进行通信。协调器和路由器必须时刻作好准备, 进行点对点的通信。

Zig Bee支持两种数据类型:键值对和消息。键值对数据通常是一种命令——响应机制, 例如, 用户打开开关按钮时, 开关按钮向射频芯片发出信号使其开灯。消息数据支持二进制的数据传输, 数据量受支持的帧字节数限制。

3 传感器节点系统设计

传感器节点由传感器模块、无线通信模块 (包括处理器) 和电源模块组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器负责控制整个传感器节点的操作, 存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行通信, 交换控制信息和收发采集数据;电源模块为传感器节点提供运行所需的能量[4]。下面分别设计各模块。

无线通信模块采用射频芯片CC2430。CC2430集成了CC2420射频收发机、Zig Bee射频前端、128k B闪存、8k B RAM和8位8051微处理器[5], 是实现嵌入式Zig Bee应用的片上系统, 支持IEEE 802.15.4/Zig Bee协议, 可用于各种Zig Bee无线网络节点, 包括协调器、路由器和终端设备等。传感器节点总体设计图如图1所示。

3.1 射频芯片CC2430外围电路的设计

CC2430芯片配合少数的外围元器件就能实现信号的收发功能[5]。其电路原理图如图2所示。电路原理图包括:晶振时钟电路和射频输入/输出电路。电路使用一个不平衡变压器。不平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及PCB微波传输线组成, 整个结构满足RF输入/输出阻抗匹配 (50Ω) 的要求。内部T/R变换电路完成LNA和PA之间的变换。R221和R261为偏置电阻。32MHz的石英谐振器 (XTAL1) 和2个电容 (C191和C221) 构成32MHz的晶振电路;32.768k Hz的石英谐振器 (XTAL2) 和2个电容 (C441和C431) 构成32.768k Hz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电。去耦电容C241和C421用于电源滤波, 以提高芯片工作的稳定性。

3.2 传感器模块的设计

传感器模块的功能就是收集需要的环境信息, 如温湿度、压力、强度等。本设计传感器节点使用温度传感器MCP9700采集环境温度数据。MCP9700能将温度信号转换为模拟电压, 它有5个引脚:电源 (VCC) 、地 (GND) 、输出电压信号 (VOUT) 和2个悬空引脚[6]。当使用ADC采集温度时, 电压输出引脚 (VOUT) 可直接与CC2430的I/O口输入端相连。此处使用P0.7引脚采集温度信号。根据MCP9700手册的建议应该在VDD和GND引脚间连接一个0.1μF~1μF的去耦电容, 在电源电压和VDD引脚间连接一个200Ω的高频陶瓷电阻和一个1μF的去耦电容。布线时去耦电容与VDD和GND引脚应该靠近, 以提供有效的噪声保护, 同时使数字线路远离传感器。温度传感器的原理图如图3所示。

传感器采集到模拟信号后, 使用CC2430内置的模数转换器 (ADC) 进行模数转换。ADC在使用前, 需要对CC2430寄存器进行一些配置[5]。ADC的输入端使用CC2430芯片的P0口进行信号采集, P0口默认为数字输入输出口, 所以要设置寄存器ADCCFG=0x80, 使P0口用作ADC的输入端。同时I/O口默认为数字口, 因此寄存器P0SEL的相应位需要置1。CC2430选择内部的1.25V参考电压, ADC选择14位采样分辨率。所以应设置ADCCON2=0x37, ADCCON1=0x73。

3.3 电源模块的设计

由于CC2430的电源要求为2.0~3.6V, MCP9700的电压范围与CC2430一致, 因此传感器节点采用3.3V电源。为了使传感器节点获得稳定电源, 传感器节点使用直流电源和电池供电。直流电源优先启用, 当直流电掉电时, 电池开始供电。直流电源使用交流220V变到直流5V的电源模块, 电池供电使用3节五号干电池。为了将5V和4.5V电源变为3.3V电源, 使用电平转换芯片TPS7333Q实现[7]。

TPS7333Q无需输入电容。TPS7333Q需要在稳压器输出端和地线之间连接一个10μF的固态钽电容来维持器件的稳定性;需要使用陶瓷旁路电容 (0.047p F~0.1μF) , 来改善负载瞬态响应和噪声抑制功能;固定输出器件的SENSE端应该连接到稳压器的输出端, 来保证稳压器的正常工作。电源模块原理图如图4所示。

4 传感器节点在无线监测网络平台的实现

无线监测网络一般由大量的传感器节点组成, 这些节点通常部署在监测区域内部或者监测区域附近, 通过自组织方式构成网络[4]。传感器节点根据逻辑功能分为三种:协调器、路由器和终端设备。终端设备收集数据, 以多跳的方式通过路由节点把数据传送给协调器节点。协调器节点把这些数据传输到计算机上供用户处理。下面使用已经下载好程序的传感器节点进行实验。

实验使用传感器网络分析仪[8] (Daintree Sensor Networks Analyzer, SNA) 、串口调试助手、2台计算机和15个Zig Bee节点。15个Zig Bee节点包括:2个协调器、2个路由器和11个终端设备。一台装有SNA软件的计算机通过USB接口与捕获设备连接。捕获设备不用下载程序, 可以使用任意一个传感器节点, 这里使用协调器。另一台装有串口调试助手的计算机通过串口与协调器连接。当需要的软件和Zig Bee设备安装好后, 从SNA界面上选择捕获设备, 并点击捕获, 捕获设备开始捕获Zig Bee设备 (协调器、路由器或终端设备) 的信号, 协调器开始与路由器、终端设备通信。

当所有Zig Bee节点放置在室内时, 由于两个Zig Bee设备处于一条通信的辐射范围内, 因此协调器直接与终端设备通信。当将2个路由器和3个终端设备移到户外距离协调器120多米时, 两个节点之间的通信距离超出了ZigBee的辐射距离, 因此终端设备的信号开始变弱并通过路由器与协调器通信。图5是SNA软件显示的无线监测网络树形图。从图5中可以看出, 三个终端设备网络地址均发生改变, 7974关联为1431、7976关联为1430、7978关联为286d。网络地址为7974、7976、7978的终端设备图标均变成灰色, 网络地址为1431、1430、286d的终端设备经过路由器重新关联协调器。7976由于信号太弱, 对协调器没有响应, 因此带有“?”标记。当7976经过路由器时, 重新关联为1430与协调器通信。

此时, 打开计算机上的串口调试助手, 将波特率设置为38 400, 可以看到11个终端设备向协调器发送测量到的温度数据。串口调试助手显示的温度信息如图6所示。这样从计算机上就可以看到传感器节点采集到的温度数据。由此可以看出设计的传感器节点可以组成无线网络, 用于监测周围环境的温度。

5 结束语

本文采用Zig Bee协议栈, 给出了无线监测网络的通用设计方法。如果更换传感器节点的传感器, 无线监测网络可以应用于不同的场合。例如在企事业单位, 无线监测网络可以应用于不适合或无法布线的场合或需要移动办公、移动工作的系统[9];在机械系统上, 无线监测网络可以采集、监控传统方法无法获取的信号。如果无线监测网络配合有线网络如以太网, 可以实现整个工厂范围内机组的实时监控;无线监测网络配合蜂窝网络技术, 可以实现手机对设备的实时监测。目前无线监测网络的研究已经涉及到广阔的应用领域, 如目标跟踪、大鸭岛海燕监测、冰河检测、医疗健康、电子牧场、结构化监测和火山观测等[10]。可以说, 无线网络是信息感知和采集的一场革命, 它被《商业周刊》视为未来四大技术之一[11]。

参考文献

[1]ZigBee Specification (200612-1) [S].http://zigbee.org/en/spec_download/spec_download.aspDAccess-Coad=5018973.

[2]ZigBee TM:An Overview, http://www.must.edu.my/Pdwong/resources/sensors/ZigBee2.htm.

[3]Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) , IEEE Standard802.15.4-2006[S].

[4]I.F.Akyildiz, W.Su, Y.Sankarasubramaniam, E.Cayirci., A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communications Magazine, August2002P103.

[5]A True System-On-Chip solution for2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBeeTM, Chipcon SmartRF CC2430Data Sheet (Rev2.1) , P1, P28-P29, P125-P130http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[6]Microchip MCP9700/01低功耗线性有源热敏电阻IC, P1, P7-8.http://ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn026636.pdf.

[7]Low-dropout voltage regulators with integrated delayed reset function, Texas Instruments TPS7333Q, P1-2, P35-37, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps7301.pdf.

[8]DaintreeNetworks Sensor Network Analyzer Quick Start Guide (2007-11-9) , http://www.daintree.net/products/sna.php.

[9]王英洲, 方旭明.短距离无线通信主要技术与应用[J].数据通信, 2004 (4) :53.

[10]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007:9-10.

ZigBee网络 篇7

关键词：Zigbee,无线传感器网络,路由算法

0 引言

近年来,数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接等词语频频映入我们的眼帘。随着半导体技术和通信技术的发展,我们已经由PC时代和网络时代进入到后PC时代,我们不再一味发展单一的性能强大可靠的通用计算机,而是倾向于生产廉价的具有有限计算能力并能执行特定任务的微型计算平台,通过配备微型传感器感知周围的物理世界,从而完成一些传统计算平台所无法完成的任务。而无线传感器网络就是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物,是一种全新的信息获取和处理技术。它是继Internet后的将对人类生活方式发生重大影响的综合技术。Internet构成了逻辑上的信息世界,改变了人类之间的沟通方式,无线传感器网络则是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变了人类与自然界的交互方式。随着无线传感器网络得到关注的日益广泛,便引发了对其技术的研究热潮。在这样的背景下一种基于IEEE802.15.4标准的短距离无线网络协议的Zigbee技术出现了。Zigbee路由算法是ZigbBee网络层的核心,根据实际应用中网络结构的不同,ZigBee一般采用两种最常用的路由协议:树状路由协议和网状路由协议。下面就对这两种路由协议分别代表性的簇树路由算法和AODVjr(Ad-hoc On-Demand Distance Vector Rout-ing Junior)路由算法加以介绍。

1 Zigbee簇树型路由算法

树路由机制包括树型地址的分配和树型寻址方式,它基于网络地址分配机制属于静态路由,每个设备都有一定的地址空间分配给后裔结点。树路由不需要存储路由表,简单并且无初始延迟。因此,任何一个低资源的设备都可以加入一个Zigbee网络,但是路由路径却未必是最优的路径。Zigbee簇树路由是依据节点之间的关系进行,沿着树形网络拓扑结构传输报文。接收到报文的节点首先判断目的设备是否为其子节点(包括目的设备是其自身的情况)。如果是则进一步判断目的设备是否为自身,若是则接收处理,否则发送给其子节点;如果目的设备不是其子节点则判断是否为其父节点,若是则发送给父节点处理;如果目的设备既不是孩子节点也不是父节点则丢弃该报文。该算法路由过程如图一所示:

簇树型算法的优点:

(1)算法简单,不存在路由发现过程,节点收到分组后可以立即将分组传输给下一跳节点,这样节点就不需要维护路由表;

(2)减少了路由协议的控制开销和节点能量消耗;

(3)降低了对节点存储能力的要求及节点的成本。

该算法的缺点:

(1)缺少灵活性,发现的路径很可能不是最优路径;

(2)容易造成分组传输时延较高;

(3)容易造成网络中通信流量分配不均衡。

2 AODVjr路由算法

AODVjr算法是需求驱动型的,由源节点选择路由,它是AODV算法的简化,简化了AODV算法的一些特点。首先为了减少控制开销和简化路由发现的过程,AODVjr中并没有使用目的节点序列号。AODV协议使用目的节点序列号,确保了所有路径在任何时间无环路。为了保证路由无环路,AODVjr规定只能是目标节点对最先到达的路由请求(Route Request,RREQ)信号做出响应,而不是像AODV中已知到目的节点路径的中间节点也可以做出响应;其次AODVjr不存在AODV中的“先驱节点列表(preeursorlist)”,从而简化了路由表结构。在AODV中节点如果检测到链路中断则通过上游节点转发路由出错分组(RouteError,RERR),通知所有受到影响的源节点。在AODVjr中,RERR仅转发给传输失败的数据包的源节点,因而不需要先驱节点列表。而在数据传输中如果发生链路中断,AODVjr则采用本地修复,在路由修复的过程中,同样由于没有使用目的节点序列号而仅允许目的节点回复路由应答(Route Reply,RREP)。如果本地修复失败,则发送RERR到数据包的源节点,通知它由于链路中断而引起目的节点不可达。RERR的格式也被简化至仅包含一个不可达的目的节点,而AODV的RERR中可包含多个不可达的目的节点。最后AODVjr取消了AODV中HELLO信息的发送,由目的节点定期向源节点发送KEEP_ALIVE连接信息来维持路由。当源节点在一段时间内没有收到目的节点发来的KEEP_ALIVE信号时,它认为此条路径失效,必要时重新进行路由发现。其路由查找方式如图二所示:

实际上AODVjr路由算法属于泛洪算法,泛洪协议的优点是:

(1)实现简单;

(2)不需要为保持网络拓扑信息和实现复杂的路由发现算法而消耗计算资源;

(3)适用于健壮性要求高的场合。

其缺点是:

(1)存在信息爆炸问题,部分数据有重叠的现象;

(2)盲目使用资源,扩散法不考虑各节点能量的可用状况,因而无法作出相应自适应路由选择。

3 结束语

Zigbee技术有着广泛的应用前景,本文主要探讨了其基本的簇树型路由算法及AODVjr路由算法的优缺点,通过分析可看出在不同应用环境下应用不同算法来实现,从而使得网络达到减少跳数、降低能耗的效果。

参考文献

[1]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工出版社,2007.

[3]任秀丽.ZigBee无线通信协议实现技术的研究[J].计算机工程与应用,2007,(6):143-144.

ZigBee网络 篇8

关键词：Zigbee,无线传感网络,研究

无线传感网络技术是当前一种比较先进的传输技术, 逐渐受到社会大众的普遍关注。对于无线传感网络技术来讲, 绝大多数对传输设备的要求较高, 需要具备成本低廉且能耗较小等优势, 而Zigbee技术, 则恰恰满足了无线传感网络技术传输设备的这一基本要求, 且Zigbee技术还具备网络信息容量很大、与其他设备兼容性强、数据传输过程快速安全等特点, 是当前比较好的一种传输设备。

1 Zigbee协议及Zigbee网络体系简介

1.1 Zigbee协议

Zigbee技术是近年来新兴的一种无线传感网络传输技术, 具有传输距离较近、过程简单、能耗较小、节省成本等特点, 从性质上看, 其是一种双向的无限通讯技术, 在应用过程中, 主要服务于规模较小、成本较低的无线网络, 对其进行网络连接与相关控制[1]。相较于传统无线通信, Zigbee技术更能够在数据信息传输量较少、成本投资较低、但拥有较高网络完全性且电源无法频繁转换的场合发挥作用。在工业领域中, 使用以Zigbee技术为基础的传感器网络, 能够大大方便相关数据的采集与整合。

1.2 Zigbee网络体系

在整个Zigbee网络体系中, 想要使其能够量化表现, 可以使用相关层次的方式来完成。每个层之间都需要在保障本职任务高质量完成的基础上, 为其所在的上层供应其所需要的服务, 而相应的逻辑链路则可以用于两个层之间的连接。在Zigbee网络体系统, 主要可以分为物理、网络、MAC、应用等多个层次, 对于Zigbee的协议网络来说, 其结构组成的相关要素相对简单, 而MAC与物理两个层次, 则需要采用IEEE802.15.4协议。

2 Zigbee无线网络组网

Zigbee技术大体上能够对三种大网络拓扑结构提供支持, 根据形状可将其命名为网状网络、星型网络以及树状网络。在网状网络中, 路由器的主要工作策略是分级路由, 将其内部所拥有的数据和信息传送出去;星型网络主要由Zigbee技术作为控制系统的操作调控者, 作用于网络的初始化, 并为网络中的相关设备提供技术维护;而树状网络则主要作用于整个网络的启动预计相关参数的设置。在Zigbee技术中, 其网络能够容纳的数据信息量相对庞大, 而其所执行的任务需要根据特征的不同分配到不同的层次中完成, 其程序的执行则需要以源语为依托。

3基于Zigbee的无线传感网络

3.1 Zigbee技术的无线网络相关配置

在进行无线传感网络设计时, 运用较多的是Zigbee技术中的星型网络, 在配置方面, 该网络主要由一个主设备与多个从设备组成。其中, 主设备是一种能够帮助Zigbee技术的相关功能在无线网络中实现的完整功能设备, 英文全称Full Functional Device, 简称FFD;而从设备是主设备经过简化后的精简设备, 英文全称Reduced Function Device, 简称RFD。主设备也可以称之为协调器, 其主要服务于网络数据的路由和管理, 而从设备也可以称之为终端设备, 主要服务于数据的收发。

3.2相应的硬件选择及网络结构

在该系统设计中, 需要进行选择的主要硬件有LPC2138以及MCI13192。以LPC2138为例, 该硬件实际上是一种微控制器, 能够完成仿真与嵌入式的实时跟踪, 该设备还拥有一个用于存储flash的存储装备。在进行选择的过程中, 需要选择的存储接口需要拥有128位宽度, 以及与设备想使用的加速结构, 以保障其在运行过程中, 32位的相应代码也能够顺利运行。该设计主要运用C语言进行代码编写, 运用AXD以及codewarrior完成整个系统的编译与下载安装, 在系统初始化完成之后, 便能够实现程序接手与发送数据的任务。

4基于Zigbee技术无线传感网络设计仍存在的不足

现阶段, 基于星型网络的无线传感网络虽然能够做到完成相关数据的接收与发送, 在失误率方面也相对较低, 但是, 该设计在当前阶段仍然存在一定的不足, 主要表现为在实际应用过程中, 在事件的监测方面还存在一定的偶然性;在安全性方面也表现出一定的欠缺;另外, 该设备是只针对星型网络的相关配置起作用, 主要服务于有信标的网络, 而对于有信标的网络配置目前仍没有有效支持。

5结论

在无线传感网络得到普遍应用的今天, Zigbee技术的应用为无线传感网络的发展提供了新途径, 在应用Zigbee技术的过程中, 不仅要看到其所表现出来的优势, 还需要看到当前的不足, 并在未来研究与发展中不断完善。

参考文献

[1]许森, 黄东, 丁维明.基于MC13192的无线传感器网络节点设计[J].单片机与嵌入式系统应用, 2013, 08 (15) :218-219.

[2]谭劲, 康顺利, 金宁.一种基于OLSR的传感网络再编程可靠与能量有效传输协议[J].传感技术学报, 2014, 06 (22) :187-188.

ZigBee网络 篇9

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术,也称无线传感器网络。ZigBee具有灵活的组网方式、可靠的网络性能、大规模的网络容量等优点,在很多领域都可以看到ZigBee的身影,因此设计ZigBee解决方案也成为一个热点。下面就ZigBee网络设计规划和如何计算节点容量展开讨论。

1 ZigBee无线网络

1.1 ZigBee协议栈

完整的ZigBee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成,如图1所示。图1中,ZigBee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由ZigBee联盟制定。其中安全层主要实现密钥管理、存取等功能。应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口(API),包括应用子层支持(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)等,实现应用层对设备的管理。

1.2 ZigBee网络特点

ZigBee网络具有以下特点:

① 支持ZigBee网络协议。 使用ZigBee网络协议构建的网络,在数据传输中采用多层次握手方式,保证数据传输的准确可靠;采用2.4 GHz频段,功率小,灵活度高,符合环保要求,符合国际通用无须批准的规范;

② 组网灵活、配置快捷。 ZigBee无线网络系统非常容易进行快捷配置,组网接入灵活、方便。几个、几十个,最多可达6万多个节点,可以在需要安放的地方任意布置,增加和减少数据节点非常容易。由于没有数据线,省去了综合布线的成本;

③ 节点功耗低。 系统节点耗电低,电池使用寿命长,支持各种类型的传感器;

④ 迅速简单的自动配置。 ZigBee无线网络终端可以自动配置,在终端家电后,自动扫描网络,自动加入网络;

⑤ 抗毁性强。 支持迂回路由,当某个路由节点损坏时,节点数据将自动选择另外的路径进行传输,具有自动恢复功能,因此ZigBee协议构建的无线网络具有很强的健壮性。

2 ZigBee网络规划

在设计一个使用的网络前,需要对产品的应用环境和ZigBee产品特性进行深入了解。应用环境包括无线信道和传输环境,产品特性包括RF输出功率和接收灵敏度,掌握好这些特性后才可以设计ZigBee网络规划方案。

在一般规划设计时,必须考虑网络容量和时延。ZigBee标准的网络容量虽然可以支持到最多6.5万个网络节点,每两相邻节点完成一次通信需要15 ms时间。但在实际应用中需要考虑网络覆盖范围和响应时间。单点容量大了,覆盖范围扩充不大;响应时间大了,应用业务实现不了。这就需要根据应用环境的不同,设计有效的网络拓扑组合来满足各种不同应用。下面分别以理想状态下不同拓扑形式的网络容量计算加以分析。

2.1 线性网络

线性网络属于比较简单的网络形式,整个网络只有唯一的一条路径,这就决定了网络中的节点数等于网络的层数,也即跳数(Hop)。在线性网络中,网络的扫描周期(中心节点采集网络中所有骨干节点数据所需的时间)直接取决于网络的跳数,也即骨干网节点数。以每次通信周期为15 ms计算,则整个网络的扫描周期T可表示为:

T=15*(1+2+3+… n)。

式中,T为整个网络的扫描周期(ms);n为网络层数,也即网络节点数。

当T=20 s时,计算可得n=51,也即线性网络在满足最长20 s的扫描周期时的网络最大容量为51节点。以每个节点的通信距离为100 m(0.1 km)计算,那么整个网络的覆盖范围为51*0.1=5.1 km长的线状区域。

根据上述公式,当n=20时,T=3 s,也即在满足20 s扫描周期的前提下可将网络分成6条有20点的支路,这样可使覆盖范围(近似πr2=12.56)上升到12 km,整个网络容量也增加到120个节点。

分析结论:线性网络的单一支路20 s轮询周期的最大节点数为51,尽量减少跳数有助于提高网络容量。

2.2 网状网络

网状网的结构比较复杂,由于网络的多路径性,网络的扫描时间分析起来也比较复杂,以下以正方形区域代替圆形作简要的分析。

ZigBee网状网络示意图如图2所示,假设在任意2条直线的交叉点处放置一个节点,并且中心节点位于整个网络拓扑的中心位置,那么能和中心点直接通信(1跳)的节点有8个(围绕在中心点周围的8个节点),而中心节点需要用2跳的消耗才能到达的节点有16个,3跳的有24个……,则整个网络的扫描时间可以表示为:

T=15 ms*8(1+4+9+…+n*n),

N=8(1+2+3+…+n);

式中,n为网络层数;N为网容节点数。

当T=20 s时,计算可得n=7,N=224,也即网状网络在满足最长20 s的扫描周期时的网络最大容量为224节点。以每个节点的通信距离为100 m计算,那么整个网络的覆盖范围为1.4*1.4=1.96 km2的区域。

而如果中心节点位于整个网络拓扑边缘的话,很明显会增加网络的层数,从而延长了系统的扫描时间,也即减小了整个网络的容量。

分析结论:网状网络的中心节点尽量布置在网络拓扑的中心位置,越靠近边缘,系统的扫描时间会越长,在扫描时间的限定下,整个网络的容量也会变得更小。

2.3 空间网状网络

空间的网状网络较之网状网络(平面)更为复杂,可以想象在10层高每层分布20个房间的楼宇内,每个房间装一个通信节点所组成的网络结构。在这种拓扑结构下,整个网络的扫描时间计算为:

T=N*t+n*15 ms(1+2+3+…+N-1)。

式中,T为整个网络的扫描周期;t为单层扫描周期;n为每层平面的节点数;N为空间层数。

根据上述公式,若把每一平面层可以看成是一个平面网状结构网络,整个网络由若干垂直分布的平面网状网络组成。以每层25个节点计算,则空间最多不能超过9层。

若把每一平面层可以看成是一个二分支线性结构网络,整个网络由若干垂直分布的二分支线性网络组成。以每层24个节点计算,则空间最多不能超过6层。

分析结论:空间网状网络的系统性能和每平面层的节点个数有直接的关系,为增加网络容量,应尽量减少每平面层的节点数。

2.4 混合网络

在实际应用中,现场环境肯定比理想状况复杂得多,一个网络可能需要综合采用以上几种拓扑结构;为了取得更大的覆盖面积,更需要将各个子网连接起来,以形成一个以各个子网为单元的大网络结构,如图3所示。为了获得最佳的网络性能,需要在节点数量和网络的扫描时间2个参数间进行平衡。

3 结束语

在组网过程中,要高度重视ZigBee的网络规划优化。为了减少网络规划优化的工作量,同时满足灵活组网的需要,要根据使用现场环境决定采用网络的拓扑结构。网络的规划是一个系统工程,需要依靠丰富的无线网络规划和经验的积累。ZigBee作为比较前沿的技术,其商用化开始不久,网络规划及无线设计需要在实际工作中不断完善、提高。

参考文献

[1] Chipcon,Packet Sniffer for IEEE802.15.4 and Zigbee[S],2004.

zigbee无线传感 掌控生活 篇10

尽管21世纪的人们并没有实现科幻小说中的某些预言。然而更为奇妙的场景很快便会成为现实：只需一台电脑，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人pc中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更……不会再有过火而败味的美食，更不会有《小鬼当家》中入室的匪徒，火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止，博物馆的馆长则不再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。

而这一切，皆无需线缆。

如同计算机从单任务到多任务的跨越一般，人类将从事事亲历亲为却免不了顾此失彼的尴尬中解脱出来，同时兼顾生活与工作的方方面面，一切将变得从容而妥当。最为诱人的是，这样的效率不需要被烦冗杂乱的设备线路所缠绕，无线传感Zigbee将工作与生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控的距离。

何谓Zigbee

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。

Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（Zigbee）技术标准。

Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee 联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

到目前为止，除了Invensys、 三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有25家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。

超越蓝牙的简单实用

1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。不过相关规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言：Zigbee和UWB （Ultra-WideBand超宽频道）切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实，因为Zigbee不支持语音，但Zigbee的低价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点，使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。

Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：

* 数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用；

* 功耗低： 在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势；

* 成本低：因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee 协议免收专利费。

* 网络容量大： 每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接；

* 时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间；

* 安全： Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性；

* 有效范围小： 有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境；

* 工作频段灵活： 使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多。最终，他们可能会微缩到尘埃大小。届时，数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。

广阔应用，一切无线

Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据（如鼠标）。

根据Zigbee联盟目前的设想，Zigbee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。

政府的计划给了Zigbee更多的空间，显示了对其无比的信心。据报道，美国能源部已经决定雇佣Honeywell International Inc.公司，希望通过使用Zigbee传感器能够在钢铁、铝以及其他六个行业中将这些能源的成本降低15％。通过安装在Alcoa，Dow Chemical，以及ExxonMobil等公司管道系统中传感器，实时追踪监测产品生产过程中的气体使用情况。

Honeywell公司的自动控制部门的副总裁、技术总监Dan Sheflin表示：“能够实时获取这些数据是一件非常重要的事情。”利用这种无线技术及时采取措施来减少泄漏或者消除浪费，每年可节约的能量超过华盛顿州去年一年所使用的天然气产生的能量总和。

至此，Zigbee的应用前景已经远远超过了本文初始的有限描述。Zigbee联盟中的先行者英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦半导体公司以及三星、Millennial Net和Ember公司的总裁面对2007年35亿美元的预计营业收入恐怕已经难忍笑意。

ZigBee网络 篇11

关键词：Zigbee,无线传感器网络,节点,协议

1 引言

近年来, 无线传感器网络在军事、生产、生活、医疗、科研等领域中有了越来越广泛的应用。根据无线传感器网络的构成, 可以将其分为智能传感器和无线通讯两部分。智能传感器部分可根据具体需求由相应的硬件电路实现, 核心技术是基于IEEE组织提出的IEEE1451.2智能传感器接口协议。而无线通讯部分实现的方法, 不外乎是利用已有的IEEE 802.11b (Wi2Fi) 、IEEE802.15.1 (蓝牙) 和IEEE802.15.4 (ZigBee) 等无线通讯技术。其中, IEEE802.11b相对于其它两个标准, 主要是用于海量数据、高带宽传输, 但不太适合传感器数据的传输。ZigBee和蓝牙相比, 最大的不同在于: (1) 极低的功耗, 使用寿命和整个传感器一样长, 无需更换电池; (2) 灵活的组网方式, 可直接组成各种网络拓扑形式; (3) 传感器器件不与网络通信时, 处于休眠状态, 通信前须将其唤醒。所以, ZigBee是一种低成本、低功耗、低复杂度的无线技术。相对于蓝牙, ZigBee技术更适合构建无线传感器网络。表1给出了几种常见的无线通讯技术主要性能参数的对比。

2 ZigBee技术的主要优点

(1) 低功耗:由于ZigBee的传输速率低, 发射功率仅为1mW, 而且采用了休眠模式, 功耗低, 因此ZigBee设备非常省电。据估算, ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间, 这是其它无线通讯设备望尘莫及的。

(2) 成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右, 估计很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee应用的普及也是一个关键的因素。

(3) 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延为30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此, ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等) 应用。

(4) 网络容量大:一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备, 而且网络组成非常灵活。

(5) 可靠:采用碰撞避免策略, 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题, 可以进行重发。

(6) 安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验 (CRC) 的数据包完整性检查功能, 支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法, 各个应用可以灵活确定其安全属性。

3 Zigbee网络协议体系结构

在Zigbee技术中, 其协议体系结构可以用层来量化。各个层负责自己所应完成的任务同时为上层结构提供服务, 层与层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。Zigbee的体系结构主要由物理层、MAC层、网络层、应用支持子层和应用层构成。各层分布图如图1所示。

从图1可以看出, Zigbee技术协议层次架构简单, 不像蓝牙等其他网络结构那样复杂。Zigbee协议网络结构共分为五层, 物理层和MAC层采用IEEE802.15.4标准协议, 其中物理层提供两种类型的服务:通过物理层管理实体接口 (PLME) 以及对物理数据和物理层管理提供服务。物理层的特征是启动和关闭无线收发器, 能量检测, 链路质量, 信道选择, 清除信道评估 (CCA) 以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。同样, MAC层也提供两种类型的服务:通过MAC层管理实体服务接入点以及向MAC层数据和该层管理实体提供服务。MAC的基本特征是:信标管理, 信道接入, 时隙管理, 发送确认帧。同时还可以为应用合适的安全机制提供方法。Zigbee技术的网络层主要是用于LR-WPAN网的组网连接、数据管理及网络安全方面等。应用层框架主要是为Zigbee技术实际应用提供框架模型。

4 ZigBee网络拓扑选型

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、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。IEEE802.15.4是ZigBee技术的基础, 与高速率个人区域网、蓝牙或802.11x无线局域网相比, ZigBee协议更为简单实用。ZigBee网络的拓扑结构主要有三种:星型、树状和网状网络, 如图2所示。其中, 网状网络容错能力高、自适应力好、传输距离长, 但其复杂度也最高;星型网络具有简洁和低功耗等特点, 使用简单, 适用于家庭的小规模、低复杂度的应用;树状网络则介于上述两者之间, 尤其是在智能家居及社区、医疗中应用星型网络, 可获得较高的性价比。

5 无线传感器网络系统构架

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network WSN) 是由大规模部署的成百上千的节点构成。无线传感器网络的系统构架如图3所示, 包括分布式无线传感器节点群、sink节点、传输介质 (Internet网或卫星通信) 和网络用户端。传感网络是核心, 在感知区域中, 大量的节点自组成网络, 监测、感知信息向Sink节点发送, 借助于Sink链路将整个区域内的数据传送到网络用户端进行处理。

这些微传感器节点具有感知能力、无线通信能力和计算能力, 通过无线通信方式自我形成网络系统。无线传感器网络是集嵌入式技术、传感器技术、分布式信息传输和处理技术于一体的网络信息系统, 以其低成本、微型化、低功耗和灵活的组网方式、铺设方式以及适合移动目标, 甚至不需要人工补充能量, 适用于无人看守的应用等特点而受到广泛重视, 被认为是未来改变人们生活的十大技术之一。

无线传感器网络是无线网络和数据网络的结合, 是基于应用的网络。与以往的计算机网络相比, 它更多的是以数据为中心。由微型传感器节点构成的无线传感器网络则一般是为了某个特定的需要而设计的, 与传统网络适应广泛的应用程序不同的是, 无线传感器网络通常是针对某一特定的应用, 是一种基于应用的无线网络。各个节点能够协作地实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息, 并对这些数据进行处理, 从而获得详尽、准确的信息, 将其传送到需要这些信息的用户。节点是无线传感器网络的基本功能单元, 典型的节点结构如图4所示, 主要包括数据采集模块 (传感器、A/D转换器) 、数据处理和控制模块 (微处理器、存储器) 、无线通信模块 (无线收发器) 以及供电模块 (电池、能量转换器) 等部分。

数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据转换, 传感器用于感知、获取外界的信息, 被检测的物理信号决定了传感器的类型, 如声纳、超声波、红外、温度、烟雾等。A/D转换器将传感器传来的模拟信号转换为数字信号;数据处理和控制模块负责控制整个传感器节点的操作, 微处理器负责协调节点各部分的工作以及将采集到的目标信息进行处理, 通常选用嵌入式CPU;数据传输模块负责与其他传感器节点进行无线通信, 交换控制消息和收发采集数据;供电模块则为传感器节点提供正常工作所必需的能量。这里将使用一些算法实现对目标的识别、跟踪、定位等。对于可以移动的节点, 它还可以根据分析结果对运动机构如机器人进行控制, 使之朝着靠近目标的方向前进。数据传输单元就是由ZigBee无线收发模块实现, ZigBee模块负责数据的接收和发送。它可以是节点之间的通信, 也可以是节点和基站之间的通信。

6 无线传感器网络通信系统模型的结构

作为一个无线通信系统, 发信机与收信机是其必要的两大部分。另外, 收发双方的频率必须一致才能成功通信, 所以还要有一个频率合成器, 以在一定范围内调节收发频率。这三部分必须统一在CPU的控制下才能正常工作, 所以从硬件上划分, 一个无线通信系统应该具有4个模块:CPU控制模块、发信机模块、收信机模块、频率合成器模块。软件部分集中于CPU控制模块, 从软、硬件协同设计的角度考虑, CPU控制模块与其他3个模块之间的接口定义很关键。在符合硬件接口定义的基础上, 各模块内部可以采用多种方式实现。图5所示是这4个模块间的接口关系。

软硬件接口设计问题是无线通信系统最为关键的部分。本文所提出的系统接口模型, 给这一问题提供了一个可行的解决方案。在符合接口定义的基础上, 只要根据业务实际需求选定的CPU以及ZigBee模块, 按照其规定的收、发通信协议, 即可根据模型开发出一个新的无线传感器通信系统。

7 结束语

本文对ZigBee通信技术及无线传感器网络的研究现状进行了归纳总结。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景, 涉及到国防军事、人们日常生活和社会生产活动的各个领域。但无线传感器技术目前仍处于初步应用阶段, 相信随着相关技术的开发和推进, 一定会得到更广泛的应用。然而就目前的技术水平来说, 无线传感器网络的正常运行并大量投入使用还面临着许多问题。

(1) 成本问题:在一个完整的无线传感器网络中, 往往包含成百上千甚至成千上万个传感器节点, 如何在不影响网络性能的前提下降低节点的成本, 是一个关系到无线传感器网络能否从实验走向实用的关键问题。

(2) 节点能耗问题:传感器节点能量是有限的, 而节点的能量又与网络的寿命紧密联系。目前常见的解决方案是使用高能电池, 而最理想的情况是让节点具备自我再生能量的功能, 这也是目前研究的一个难点。

(3) 安全问题:无线传感网络在实际应用中往往处于环境恶劣、人力不可到达的区域。比如:应用于军事领域, 传感器节点处于敌方阵地进行探测, 因而难以进行保护或者维修。因此, 在设计网络协议时, 对保密性就提出了更高的要求。安全问题是无线传感器网络面临的一个严峻问题。

总之, 传感器网络是一门新兴技术, 有着传统技术不可比拟的优势, 而且也必将开辟出不少新颖、有价值的商业应用。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的运用价值, 未来还将在许多新兴领域体现其优越性, 如社区、家用、保健、交通等领域。我们可以大胆地预测, 无线传感器网络将无处不在, 完全融入我们的生活。同时, 由于在无线传感器网络技术方面国内与国际水平的差距并不大, 及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究, 无疑对我国的社会、经济、军事都具有十分重大的战略意义。

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