摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其在生產(chǎn)生活中將產(chǎn)生的重大意義而受到越來越多的關(guān)注。介紹了一種新興的低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)—— Zigbee技術(shù)及其在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。最后在相應(yīng)的硬件和軟件平臺上實現(xiàn)對溫度的遠距離接收，并對其性能進行測試。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；TinyOS necC

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)02-192-03

Application of Zigbee in Wireless Sensor Network

SUN Maoyi，CHEN Lixue

(Southwest Petroleum University，Chengdu，610500，China)

Abstract：For the great significance in production and daily life，wireless sensor network attracts more and more sight.This paper introduces a new wireless network technology with low cost of power，low cost of money，low data rate，and less complexity structure-Zigbee technology and its usage in wireless sensor network.At last we actualize getting remote temperature on relevant hardware and software platforms，and test its performance.

Keywords：Zigbee;wireless sensor network;low cost of power;Tinyos necC

隨著人們在生產(chǎn)生活中對數(shù)據(jù)獲取和對過程控制的需要，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因其自身的先天優(yōu)勢在當(dāng)前國際上備受關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)等前沿技術(shù)，能夠通過各種集成化的微型傳感器協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集 各種環(huán)境監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理。并通過隨機自組織無線多條中繼方式將感知信息傳送到用戶端。 Zigbee技術(shù)，因其超低功耗、抗干擾和網(wǎng)絡(luò)的健壯性等優(yōu)點，使其在無線傳感器領(lǐng)域發(fā)揮出巨大的作用。

1 Zigbee概述

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4 kB或作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32 kB。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。

完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE 802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。圖1所示為Zigbee協(xié)議棧的構(gòu)架。

Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：

（1） 低功耗

在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月，甚至更長時間。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

（2） 低成本

通過大幅簡化協(xié)議（成本不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32kB代碼，子功能節(jié)點少至4 kB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費。

（3）低速率

[JP3]Zigbee工作在20~250 kb/s的較低速率，分別提供250 kb/s(2.4 GHz)，40 kb/s(915 MHz)和20 kb/s(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

（4） 近距離

傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

（5） 短時延

Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。

（6） 高容量

Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

（7） 高安全

Zigbee提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

（8） 免執(zhí)照頻段

采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4 GHz(全球)，915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)

Zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，他的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警），消費類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由許多個小型的節(jié)點所構(gòu)成。以這些工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成各種網(wǎng)絡(luò)托普結(jié)構(gòu)。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上看，他們只是其功能的一個子集，稱為RFD（精簡功能設(shè)備），這種設(shè)備不具有路由的功能；另外還有一些節(jié)點負(fù)責(zé)與控制子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱為FFD（全功能設(shè)備或協(xié)調(diào)器）。圖2所示為一個典型的遠程數(shù)據(jù)采集并返回到計算機終端的應(yīng)用。

每個節(jié)點由一個MCU作為主控設(shè)備。每個信號采集節(jié)點通過ADC從模擬傳感器得到實時數(shù)據(jù)，按照Zigbee協(xié)議把數(shù)據(jù)打包并通過射頻芯片及前端天線發(fā)送給簇內(nèi)的RFD，再由RFD路由轉(zhuǎn)發(fā)到遠端計算機，以做進一步處理。在每個節(jié)點的外部可外接相應(yīng)的PIO芯片和其他外圍電路進行交互。

2.2 節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)

此試驗所用硬件選用MoteWorkTM開發(fā)平臺來做開發(fā)。此平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。此節(jié)點的節(jié)點采用了一款A(yù)tmel公司的AVR系列8位單片機ATmega128作為處理器芯片。ATmega128 具有如下特點：128 kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH(具有在寫過程中還可以讀的能力，即RWW)、4 kB的E2PROM、4 kB的SRAM、53 個通用I/O 口線、32個通用工作寄存器、實時時鐘RTC、4 個靈活的具有比較模式和PWM 功能的定時器/ 計數(shù)器(T/C)、2個USART、面向字節(jié)的兩線接口TWI、8 通道10 位ADC( 具有可選的可編程增益)、具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器、SPI 串行端口、與IEEE 1149.1 規(guī)范兼容的JTAG 測試接口，以及6種可以通過軟件選擇的省電模式。無線收發(fā)模塊則采用TI公司的CC1000通用無線通信模塊。此開發(fā)板可外接多種傳感器設(shè)備，此次實驗選用了一款高精度溫度傳感器。

3軟件設(shè)計

加州大學(xué)伯克利分校的研發(fā)人員走在無線傳感器領(lǐng)域的前沿，并專門為此設(shè)計一種新型的嵌入式系統(tǒng)——TinyOS。

3.1 TinyOS體系

TinyOS操作系統(tǒng)為用戶提供一個良好的用戶接口，具有更強的網(wǎng)絡(luò)處理和資源收集能力，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求，在TinyOS中引入4種技術(shù)：輕線程、主動消息、事件驅(qū)動和組件化編程。整個系統(tǒng)由組件構(gòu)成，通過組件對硬件進行抽象，提高了軟件重用度和兼容性。

TinyOS操作系統(tǒng)及其應(yīng)用程序使用產(chǎn)生代碼相對較小的necC來開發(fā)。

3.2 部分程序代碼



…

Includes sensorboardApp ;

Configuration MyApp_Sensor {}

Implementation {

Components Main，MyApp_SensorM，TimerC，Leds，PhotoTemp，GennericComm as Comm ;

Main.StdControl -> TimerC.StdControl ;

Main.StdControl -> MyApp_SensorM.StdControl ;

Main.StdControl -> Comm.Control ;

MyApp_SensorM.Timer -> TimerC.Timer［unique(\"Timer\")］ ;

MyApp_SensorM.Leds -> LedsC.Leds ;

MyApp_SensorM.TempControl -> PhotoTemp.TempStdControl ;

MyApp_SensorM.Temperature -> PhotoTemp.ExternalTempADC ;

MyApp_SensorM.SendMsg -> Comm.SendMsg［AM_XSXMSG］ ;}

…

implementation{

bool sending_packet = 1 ;

TOS_Msg msg_buffer ;

XDataMsg *pack ;



Command result_t StdControl.int() {

callLeds.init() ;

callTempControl.init() ;

atomic{

pack = (XDataMsg *)(msg_buffer.data) ;

pack -> xSensorHeader.board_id = SENSOR_BOARD_ID ;

pack -> xSensorHeader.node_id = TOS_LOCAL_ADDRESS ;

pack -> xSensorHeader.rsvd = 0 ;

}}…}…

4 測 試

4.1 測試環(huán)境

硬件平臺：PC機一臺，Zigbee節(jié)點5個。

軟件平臺：PC機操作系統(tǒng)Windows Professional XP SP2。

開發(fā)環(huán)境：PN2、MoteConfig 2.0，MoteView 1.4B。

4.2 數(shù)據(jù)結(jié)果

數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

5 結(jié) 語

由于條件限制的測試僅使用了5個節(jié)點，但在測試中可以看到，這5個節(jié)點仍然可以很好地完成節(jié)點慢速相對移動下的200 m距離內(nèi)的數(shù)據(jù)平穩(wěn)傳輸。由于Zigbee路由協(xié)議建立在AODV之上，組成AD Hoc網(wǎng)絡(luò)?？梢灶A(yù)測，隨著節(jié)點的增多，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和所覆蓋的范圍可以大大提高。通過對射頻前端的發(fā)射功率進行調(diào)整也會對單個節(jié)點的覆蓋范圍和功耗產(chǎn)生較大的影響。通過增加節(jié)點數(shù)量，縮短節(jié)點間的距離，可以在較小的發(fā)射功率下同樣覆蓋較大的范圍。在實際使用中，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的需求在節(jié)點數(shù)量和功耗間進行合理地選擇。對構(gòu)建無線傳感器的設(shè)計人員在選擇實現(xiàn)技術(shù)上具有一定的參考價值。

參 考 文 獻

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［10］Atmega 128技術(shù)手冊.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。