王永強王遠(yuǎn)飛陸欣

1. 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2. 哈爾濱科技大學(xué)

基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實踐

王永強1王遠(yuǎn)飛1陸欣2

1. 哈爾濱職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2. 哈爾濱科技大學(xué)

網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在不斷成熟完善。伴隨而來的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也大幅拓展。Zigbee協(xié)議是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用協(xié)議，本文就無線傳感網(wǎng)絡(luò)和Zigbee進(jìn)行了詳細(xì)介紹，同時就協(xié)議堆棧z-stack進(jìn)行了設(shè)計舉例。

無線傳感網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議 協(xié)議棧 體系架構(gòu)

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)介紹

1.1 定義與作用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的英文縮寫為WSN，它是在一定地理范圍區(qū)間內(nèi)，通過無線的傳感器節(jié)點，去感知網(wǎng)絡(luò)中的觀察對象。這些對象常常是壓力、濕度、溫度、地質(zhì)狀況等。并把相關(guān)的情況轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與傳送，傳送給網(wǎng)絡(luò)的觀察方。可以說這種解釋直接說明了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的作用。它的主要作用可以概括為數(shù)據(jù)的采集和保存、數(shù)據(jù)的處理以及數(shù)據(jù)的傳送。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與工作方式

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是三部分組成，相互協(xié)調(diào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)墓ぷ鳌?/p>

首先是傳感器節(jié)點，它會采集附近區(qū)域觀察對象的情況，簡單的進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，進(jìn)行存儲。通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到其它的傳感器節(jié)點上。進(jìn)一步，傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，通過不斷的跳轉(zhuǎn)與傳送會匯聚到匯聚傳感節(jié)點上，將這些數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲，分類處理，然后與互聯(lián)網(wǎng)交互，將數(shù)據(jù)信息傳送給觀察者。觀察者最終獲得所需說句。那么從這個工作過程也可以看出結(jié)構(gòu)中的三個部分。最基本的是傳感器節(jié)點。具備存儲數(shù)據(jù)簡單處理數(shù)據(jù)的功能，對比而言存儲能力不強，處理能力較低。匯聚存儲節(jié)點則要存儲最終的多個傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并要統(tǒng)一處理，所以存儲和處理能力較強。同時要實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的交互作用。而觀察者我們通過作用命名可以稱之為管理節(jié)點，是發(fā)布任務(wù)，最終獲取信息的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，它處于互聯(lián)網(wǎng)之中。

2 Zigbee相關(guān)介紹

它是一種協(xié)議，也是一種標(biāo)準(zhǔn)，適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)。有自己固定的頻段。協(xié)議自身的特點決定了它更加適合于較短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信。它的特點有以下幾點：首先，可靠性能高，通常而言，無線網(wǎng)絡(luò)是通過光波等介質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的，沒有實際的線路介質(zhì)，所以受到天氣、溫度等條件的影響較大。而Zibee協(xié)議，在設(shè)計時候就考慮到了這個因素，適合于短距離的無線通訊，技術(shù)采用不會收到較大的天氣影響。其次，它能耗小，自身部件少，供電甚至可以使用電池，能耗很小。最后，它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，應(yīng)用最多的是星型結(jié)構(gòu)和總線型結(jié)構(gòu)。

3 基于Zibee的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計舉例

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地質(zhì)信息檢測方面得到了廣泛的應(yīng)用，這里以農(nóng)業(yè)傳感器網(wǎng)絡(luò)為例進(jìn)行簡單說明，篇幅有限，僅就部分網(wǎng)絡(luò)搭建設(shè)計進(jìn)行闡述。

3.1 農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計作用與意義

農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以更好的與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合，可以是兩種網(wǎng)絡(luò)作用的共同體現(xiàn)，例如大棚種植中種植條件的檢測，種植情況的分析，危險狀態(tài)發(fā)出警報等產(chǎn)生作用?？梢愿玫倪M(jìn)行種植的無人化、自動化和高產(chǎn)化。

3.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及設(shè)備驅(qū)動開發(fā)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器主要功能是建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立完成后，協(xié)調(diào)器退化為普通路由器，另外協(xié)調(diào)器還可以用于配置網(wǎng)絡(luò)安全及應(yīng)用層設(shè)備綁定。路由器執(zhí)行路由功能，主要包括：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；支持多跳網(wǎng)絡(luò)；存儲子節(jié)點處于休眠狀態(tài)的消息。終端設(shè)備僅需完成對數(shù)據(jù)采集，可周期休眠與喚醒，以降低系統(tǒng)能耗。Z-Stack的核心是任務(wù)系統(tǒng)。協(xié)議棧為每個模塊定義一個任務(wù)，用于處理模塊內(nèi)部的所有事件。所有任務(wù)均在OSAL初始化時被添加到任務(wù)列表，不同任務(wù)具有不同優(yōu)先級，高優(yōu)先級任務(wù)會被操作系統(tǒng)優(yōu)先調(diào)度和執(zhí)行。通過輪轉(zhuǎn)查詢的調(diào)度方式，OSAL完成各模塊定義的所有功能。在Z-Stack中，任務(wù)由函數(shù)初始化，并通過tasksArr指向任務(wù)的處理函數(shù)。根傳感器的數(shù)據(jù)采集任務(wù)就可以當(dāng)作應(yīng)用層任務(wù)。傳感器終端節(jié)點采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器和多個終端傳感節(jié)點構(gòu)成。終端節(jié)點只能與協(xié)調(diào)器直接進(jìn)行通信，各個終端之間不需直接進(jìn)行通信。對于終端節(jié)點，其流程較簡單，設(shè)置好定時器中斷，每隔一定時間讀取傳感器數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至相鄰的協(xié)調(diào)節(jié)點。

4 Zibee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展展望

基于Zibee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在很多領(lǐng)域應(yīng)用，但是在智能城市、醫(yī)療控制等方面的應(yīng)用還有待突破。這與自身特點有關(guān)，同時也是因為智能城市與醫(yī)療控制對實時性要求較高，數(shù)據(jù)處理的每個節(jié)點都有較高的要求。造價和實現(xiàn)存在一些困難。但伴隨硬件設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，未來這些方面的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將有廣闊的發(fā)展空間。

[1]張任,王堅鋒,嚴(yán)海.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[J].機電工程.2008(08)

[2]冷亮,劉丹.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].中國科技財富.2008(07)

項目來源

本文系2016年哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目（科技創(chuàng)新人才）“物聯(lián)網(wǎng)時代主動服務(wù)式智慧大樓”項目研究成果（編號：2016RAQXJ206）。