劉欽

[摘 要] 主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、ZigBee技術(shù)規(guī)范。作為新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術(shù)，ZigBee已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，消費(fèi)性電子，家電自動(dòng)化，醫(yī)療監(jiān)控等領(lǐng)域，具有快速傳輸、穩(wěn)定可靠、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；無線通信

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 064

[中圖分類號(hào)] TN923 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）03- 0156- 02

0 緒 論

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前非?；钴S的一個(gè)領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。不僅可以節(jié)省費(fèi)用和時(shí)間，而且，改變溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量位置、增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目都非常方便。

1 概 述

1.1 論文研究的背景以及意義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線電通信形成的一個(gè)多跳的自組織系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域里檢測(cè)對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。

傳感器節(jié)點(diǎn)利用其內(nèi)置的形式多樣的傳感器，測(cè)量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào)，檢測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。通過網(wǎng)關(guān)，傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上，從而將采集到的信息回傳給遠(yuǎn)程的終端用戶使用。

1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究具有很強(qiáng)的試驗(yàn)科學(xué)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)研究已經(jīng)具有很長(zhǎng)的歷史，利用已有的基礎(chǔ)化設(shè)施，為新的研究搭建大規(guī)模的物理試驗(yàn)床（如組播應(yīng)用研究的Mbone）和虛擬網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)環(huán)境（如P2P研究的Plant Lab）相對(duì)比較容易。但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)差別較大，甚至網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)都將截然不同，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究可繼承的資源也就十分有限，研制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，搭建一定規(guī)模的試驗(yàn)床自然成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究初期的一個(gè)主要任務(wù)。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了眾多節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)平臺(tái)。

2 本課題關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。采用了IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)：省電、簡(jiǎn)單、成本又低的規(guī)格；增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等場(chǎng)合。ZigBee可使用的頻段有三個(gè)，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段以及美國(guó)的915頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16，1，10個(gè)，在中國(guó)采用2.4 GHz頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率。由于工作周期較短，且采用休眠模式，收發(fā)信息功耗較低，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。由于對(duì)時(shí)延進(jìn)行了優(yōu)化處理，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。ZigBee采用碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。中間訪問控制層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。ZigBee提供三級(jí)安全模式，使用接入控制清單，防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES-128）的對(duì)稱密碼，以靈活地確定其安全性。

2.1.1 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)。這一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee聯(lián)盟維護(hù)。IEEE 802.15.4是ZigBee協(xié)議的底層標(biāo)準(zhǔn)，主要規(guī)范了物理層和MAC層的協(xié)議，其標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際電工學(xué)協(xié)會(huì)IEEE組織制定并推廣。ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250 kbps，與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近的應(yīng)用；ZigBee無線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò)，就是無線個(gè)人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常適合的。在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，ZigBee定義了系統(tǒng)的高層，包括可采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、安全層、應(yīng)用匯聚層和高層應(yīng)用規(guī)范。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和媒質(zhì)接入控制層（MAC），以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。

PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評(píng)估，以及通過物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請(qǐng)求，且為應(yīng)用提供合適的安全機(jī)制方法。

IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制（LLC）和媒介訪問控制（ MAC）兩個(gè)子層。IEEE 802.15.4的MAC層采用了簡(jiǎn)單靈活的協(xié)議，以保證低成本、易實(shí)現(xiàn)、低功耗等特點(diǎn)。IEEE 802.15.4的MAC子層支持多種邏輯鏈路層（LLC）標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS （Service-Specific Convergence Sublayer業(yè)務(wù)相關(guān)的匯聚子層）協(xié)議承載IEEE 802.2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE 802.15.4的MAC層的服務(wù)，MAC層與硬件聯(lián)系緊密，依賴于不同的物理層而實(shí)現(xiàn)。其中LLC在IEEE 802.6標(biāo)準(zhǔn)中定義，為IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)所共用。IEEE 802.15.4的MAC層為了增加靈活性，支持64 bit的IEEE地址和16 bit的短地址兩類地址。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備都被分配以唯一的64 bit的IEEE地址，此地址的分配是動(dòng)態(tài)的。16 bits的局部地址處理起來更方便，節(jié)約功耗。一旦網(wǎng)絡(luò)建立，可以使用短地址使網(wǎng)絡(luò)，可以支持超過65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)層通過使用MAC層提供的各種功能保證MAC層各種功能的正確執(zhí)行，完成建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)，并向應(yīng)用層提供服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)部在邏輯上有兩部分組成，即網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）和網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體能夠通過訪問服務(wù)接入點(diǎn)提供數(shù)據(jù)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)管理層實(shí)體通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，并完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)的維護(hù)和管理。

ZigBee應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和用戶所定義的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用支持子層的功能包括維持綁定表、在綁定的設(shè)備之間傳送消息。所謂綁定就是基于兩臺(tái)設(shè)備的服務(wù)與需求將它們匹配地連接起來。ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）的功能為定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的作用（如是ZigBee協(xié)調(diào)器還是終端設(shè)備），發(fā)起和響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機(jī)制。ZigBee設(shè)備對(duì)象還負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，并且決定向它們提供何種應(yīng)用服務(wù)。

2.1.2 ZigBee的技術(shù)參數(shù)及優(yōu)勢(shì)

ZigBee是為建立一種可靠的、高性價(jià)比的、低功耗的，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制的無線網(wǎng)絡(luò)而制定的，是一套完整的、開放的、全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，是被全球公認(rèn)的具有互操作性的解決方案，適用于家庭自動(dòng)化與遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

主要參考文獻(xiàn)

[1]陳偉歌，閻有運(yùn)，陳朝軍.基于ZigBee技術(shù)的倉(cāng)庫(kù)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（12）：47-48.

[2]李磊. 一類無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及其在設(shè)備監(jiān)控中的應(yīng)用研究[J].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007：23-24.

[3]孟慶斌，潘勇.基于 CC2430 的分布式無線溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì).電子測(cè)量技術(shù)，2009（5）：128-130.

[4]崔莉，鞠海玲，苗勇，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2005，42（1）：163-174..

[5]D Lohman.Zigbee Smart Energyprofile Specification[M].Zigbee Alliance，2008.

[6]金海紅. 基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及其通信的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué).2007：30-32.

[7]夏少波，許娥.基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].山東通信技術(shù)，2009，9（4）：9-12.

[8]劉瓊，周之光，朱志偉.基于CC2430的低功耗 Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9（5）：15-16.