嚴(yán)海穎

摘 要：本文就Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)、設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的分析，旨在綜合自己學(xué)習(xí)過程中的收獲和一些想法。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)（wsn）；傳感器；ZigBee；設(shè)計(jì)

一、概述

（一）WSN簡(jiǎn)介。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著十分廣泛的應(yīng)用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療，數(shù)字家庭，綠色節(jié)能，智慧交通等傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將無處不在，將完全融入我們的生活。

（二）Zigbee WSN。 ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。作為無線傳感網(wǎng)的一種最常見的類型，ZigBee wsn是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。

二、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)

（1） 低功耗： 由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。（2） 成本低： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。（3） 時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms， 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制應(yīng)用。（4） 網(wǎng)絡(luò)容量大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。（5） 可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。（6） 安全： ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證， 采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

三、Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)難點(diǎn)。 （1）通訊距離問題，由于一般的ZigBee前端RF部分輸出大部分只有0DBM，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)開闊地帶實(shí)際通訊距離只有幾十米，如果加上環(huán)境和阻擋因數(shù)，通訊距離還會(huì)縮水。（2）ZigBee芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高頻率，硬件設(shè)計(jì)不可能繞開高頻設(shè)計(jì)和調(diào)試，需要的高頻設(shè)備如頻譜分析儀等，價(jià)格較高，也構(gòu)成了一定技術(shù)門檻。（3）為了實(shí)時(shí)處理復(fù)雜的無線網(wǎng)絡(luò)管理和路由，ZigBee軟件協(xié)議棧代碼比較復(fù)雜，同時(shí)涉及比較多的無線技術(shù)知識(shí)背景，掌握這些無線軟件需要比較多的時(shí)間，加上協(xié)議棧在不斷升級(jí)，使用的微控制器也在不斷變化中，也加長(zhǎng)了開發(fā)和調(diào)試周期。

這些設(shè)計(jì)難點(diǎn)，很多廠家已經(jīng)推出了各種比較完整的解決方案：對(duì)于ZIGBEE通訊距離的擴(kuò)展，目前采用外部擴(kuò)展和內(nèi)部增加放大器兩套辦法，TI最近推出的CC2591放大器芯片， CC2591能夠和CC2430等ZigBee單芯片完整結(jié)合，實(shí)現(xiàn)ZIGBEE通訊距離的擴(kuò)展，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊距離可以輕易達(dá)到600米以上，通過ZigBee自動(dòng)中繼路由，可以實(shí)現(xiàn)微功耗下數(shù)十公里的無線通信。

隨著大量模塊化產(chǎn)品的出現(xiàn)，解決了第二個(gè)應(yīng)用難點(diǎn)，這些模塊只有大約1平方英寸大小，用電池供電，易于集成到用戶系統(tǒng)中。用戶從模塊入手，完全避免的高頻設(shè)計(jì)和調(diào)試的問題，可以將主要精力集中到應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。另外，目前的模塊在出廠時(shí)也配備了一套ZigBee串口通訊協(xié)議，這套協(xié)議將復(fù)雜的ZigBee應(yīng)用，轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的，具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)功能的AT命令集，用戶只要會(huì)串口編程，無需要深入研究ZigBee協(xié)議棧，就可以輕松使用ZigBee技術(shù)。這樣就解決了第三個(gè)主要的技術(shù)難點(diǎn)。

（二） ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的層次。 （1）系統(tǒng)集成，在這個(gè)層次，主要是要掌握ZigBee技術(shù)的應(yīng)用特征，例如系統(tǒng)可靠性和網(wǎng)絡(luò)可靠性，通訊距離，抗干擾性能，低功耗性能等，使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行是比較好的進(jìn)入點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：入門需要的時(shí)間短，幾個(gè)小時(shí)或幾天。缺點(diǎn)：系統(tǒng)靈活性可能不夠，成本稍微高一些。 （2）采用模塊和自己的單片機(jī)系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)，這要求對(duì)單片機(jī)技術(shù)比較熟悉，當(dāng)然最好是采用自己熟悉的單片機(jī)，主要工作是熟悉ZigBee AT命令集，如何通過AT命令集來操作復(fù)雜ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，由于不需要分析無線協(xié)議棧代碼和進(jìn)行高頻設(shè)計(jì)，用戶可以將主要精力集中在自己的應(yīng)用代碼開發(fā)。優(yōu)點(diǎn)：入門時(shí)間是一星期或更短。缺點(diǎn)：需要在模塊后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加。（3）采用模塊或者直接使用ZigBee芯片進(jìn)行自己的ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如果不希望進(jìn)行高頻設(shè)計(jì)，可以從模塊開始，直接使用TI等公司提供的

ZigBee協(xié)議棧源代碼和庫文件，自己進(jìn)行應(yīng)用代碼的編寫，然后直接下載到模塊進(jìn)行調(diào)試，由于EZ-LBee這樣的通用，開放，開源模塊的出現(xiàn)，使這種開發(fā)辦法成為了可能。（4）自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZigBee開發(fā)系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)單芯片化設(shè)計(jì)，最終產(chǎn)品成本最低。缺點(diǎn)：需要對(duì)軟件和ZigBee協(xié)議棧進(jìn)行消化和分析，也需要高頻設(shè)計(jì)方面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，需要的時(shí)間可能是數(shù)月或更長(zhǎng)。

結(jié)語：我們進(jìn)入ZigBee wsn系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度重心，是盡快掌握無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧軟件使用，同時(shí)盡快進(jìn)入相關(guān)應(yīng)用軟件開發(fā)。由于ZigBee芯片廠家推出各種標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品、模塊、開發(fā)工具，以及免費(fèi)ZigBee協(xié)議棧等，大大降低了ZigBee技術(shù)入門臺(tái)階，我們可以方便的根據(jù)自己的實(shí)際情況，確定設(shè)計(jì)的層次，輕松開始ZigBee應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)。