zigbee網(wǎng)絡拓撲結構及節(jié)點設計

1 引言

　　基于zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡適用于網(wǎng)點多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領域已取得一席之地[1]。同時，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善[2]。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。

　　2 設計要求

　　2.1 zigbee網(wǎng)絡結構

　　從網(wǎng)絡結構上看，zigbee網(wǎng)絡有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式，按照網(wǎng)絡節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調器節(jié)點(cp)3種[2]。其組織結構如圖1示。

　　圖1 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構

　　其中，協(xié)調器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，識別網(wǎng)絡中的設備加入網(wǎng)絡;路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡鏈路結構，完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā);終端節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作[2]。這就要求zigbee網(wǎng)絡節(jié)點需扮演終端感知者、網(wǎng)絡支持者、網(wǎng)絡協(xié)調者3種角色。

　　從功能上，zigbee節(jié)點應由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。其結構如圖2所示。

　　圖2 zigbee網(wǎng)絡節(jié)點模塊圖

　　其中，包括dma、usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內的豐富的外設功能來滿足網(wǎng)絡對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行，cpu實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算與處理，mac定時器用于實現(xiàn)網(wǎng)絡同步，使用aes技術對信息進行加密，無線模塊完成收據(jù)的收發(fā)與信息幀控制。

　　2.2 zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計要求

　　(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。

　　(2)體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術較其它無線技術的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡節(jié)點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點有較高的性價比。

　　(3)可靠性。與有線傳輸介質相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡在有效范圍內建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡節(jié)點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術。

　　(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡的最終目的是通過網(wǎng)絡完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求。

　　(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機制使設備更加省電。典型的zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

　　zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的設計應按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設計和軟件設計。