基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

摘要：首先介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)說(shuō)明了基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程，包括協(xié)調(diào)器啟動(dòng)及建立網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)及加入網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間建立綁定以及傳感器節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程。設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以采集溫度信息為例，協(xié)調(diào)器能夠接收到傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并能通過(guò)RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行顯示。實(shí)驗(yàn)顯示在距離80m遠(yuǎn)處，系統(tǒng)仍能保持良好的通信質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議棧；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器；傳感器節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。
目前能夠用于短距離無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)主要有5種：Wi-Fi技術(shù)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)技術(shù)、近場(chǎng)通信(Near Field Communication，NFC)技術(shù)、藍(lán)牙以及ZigBee技術(shù)。其中，ZigBee是基于IEEE802．15．4的一種新興短距離無(wú)線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是低功耗、低速率、低復(fù)雜度、低成本等。這些特點(diǎn)決定了ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，因此ZigBee技術(shù)被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全監(jiān)控等領(lǐng)域的無(wú)線技術(shù)。在ZigBee協(xié)議的制定中，IEEE802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(Physical Layer，PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)控制層(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)，而ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是由ZigBee聯(lián)盟制定的。
支持ZigBee協(xié)議的無(wú)線通信芯片主要有TI公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale半導(dǎo)體公司推出的MC13191、MC13192及MC13 193等芯片。CC2430是世界上首個(gè)單芯片ZigBee解決方案，除了保持CC2420所包括的優(yōu)良射頻性能之外，其內(nèi)部還集成了一個(gè)增強(qiáng)型8051內(nèi)核，這使得CC2430成為市面上最具有競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee無(wú)線收發(fā)芯片。
文中設(shè)計(jì)了基于ZigBee協(xié)議棧的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器和四個(gè)終端傳感節(jié)點(diǎn)。以采集溫度信息為例，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行處理及顯示。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
1．1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感網(wǎng)路中的基本單元是傳感器節(jié)點(diǎn)，根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的所承擔(dān)的任務(wù)不同，傳感器節(jié)點(diǎn)可以分為3類：協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，允許路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)與其綁定，并接收路由器和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)信息，以及傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)等；傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知被測(cè)對(duì)象的物理信息，并將其無(wú)線發(fā)射給協(xié)調(diào)器；但如果傳感器節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器太遠(yuǎn)，則需要
路由器在中間進(jìn)行中繼。傳感網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般有3種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、低成本和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限；樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，傳感器節(jié)點(diǎn)傳感器所采集的數(shù)據(jù)可以通過(guò)路由器中繼的方式到達(dá)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和覆蓋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但功耗大、管理復(fù)雜。在實(shí)際應(yīng)用，要根據(jù)實(shí)際需求來(lái)選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
1．2 傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)
無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)按照其所具備的功能來(lái)分，可分為全功能設(shè)備(Full Funclion Device，F(xiàn)FD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器必須由FFD來(lái)承擔(dān)，傳感器節(jié)點(diǎn)一般由RFD來(lái)實(shí)現(xiàn)。但不管是FFD還是RFD，其硬件的基本結(jié)構(gòu)基本上相同，一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4個(gè)基本部分，如圖1所示。傳感器模塊用于感知被測(cè)對(duì)象的物理信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；微處理器模塊負(fù)責(zé)處理及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)發(fā)射與接收無(wú)線電信息；能量供應(yīng)模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能量。此外，傳感器節(jié)點(diǎn)還可能包括一些輔助單位，如定位模塊、自供電模塊等。與傳感器節(jié)點(diǎn)和路由器相比，協(xié)調(diào)器一般需要和PC機(jī)相連，所以其帶有RS232接口或USB接口等。