劉勇

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越多?；诖耍撐膶?duì)ZigBee技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，它具有接口簡(jiǎn)、功耗低以及穩(wěn)定性能好的優(yōu)點(diǎn)，為該技術(shù)的應(yīng)用和推廣建立理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線傳感器；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）09-2100-02

當(dāng)前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在工業(yè)、軍事以及學(xué)術(shù)研究等各個(gè)領(lǐng)域都受到了越來(lái)越多的關(guān)注，其研究成果具有很好的應(yīng)用價(jià)值。將各種類型的具備計(jì)算功能和通訊能力的微型傳感設(shè)備合理地布置在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)信息監(jiān)測(cè)的區(qū)域內(nèi)，并使這些傳感設(shè)備能夠依據(jù)環(huán)境的變化情況自動(dòng)地執(zhí)行指定的命令，這種能夠進(jìn)行自動(dòng)控制的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)被稱為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。由于ZipBee技術(shù)具有成本低、功耗小以及短距離等特點(diǎn)，使其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中脫穎而出，成為了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊應(yīng)用技術(shù)中的佼佼者，得到了較好的推廣運(yùn)用。

1 ZigBee技術(shù)的概述

ZipBee是雙向的無(wú)線通訊技術(shù)的一種，它具有短距離、小功耗、低復(fù)雜度以及高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。目前，該技術(shù)主要是被用在系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制以及自動(dòng)化控制等科技前沿領(lǐng)域，較為常用的工作頻段有三種，在不同的工作頻段上其傳輸速率存在一定的差異，通常它的有效傳送距離是10m到75m，根據(jù)需要還可以對(duì)傳送距離進(jìn)行增大。

ZipBee這種成熟的無(wú)線電通訊技術(shù)所具有的特點(diǎn)包括安全穩(wěn)定性高、網(wǎng)絡(luò)的信息容量大、成本低、時(shí)延短以及功耗低。在ZipBee技術(shù)中對(duì)其數(shù)據(jù)包采用循環(huán)冗余校驗(yàn)技術(shù)來(lái)檢測(cè)其完整性，同時(shí)還能夠支持認(rèn)證，通過(guò)運(yùn)用AES—128加密算法等來(lái)保證系統(tǒng)的安全性。為加強(qiáng)穩(wěn)定性系統(tǒng)運(yùn)用碰撞避免策略，并通過(guò)建立專用的通訊通道保證特殊數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，防止數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生沖突，影響重要數(shù)據(jù)的傳輸。在MAC層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸模式的定義時(shí)運(yùn)用的是完全確認(rèn)技術(shù)，即發(fā)送出去的所有數(shù)據(jù)包信息都需要由數(shù)據(jù)接收方進(jìn)行信息的確認(rèn)。一旦在數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生故障，都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)重新發(fā)送，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。ZipBee網(wǎng)絡(luò)具有較大的容量，將ZipBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成星型結(jié)構(gòu)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最多25臺(tái)的從屬設(shè)備與1臺(tái)主控設(shè)備的連接，可以將100個(gè)ZipBee網(wǎng)絡(luò)接入一個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)較為靈活的網(wǎng)絡(luò)組建形式。較為低廉的成本也是ZipBee網(wǎng)絡(luò)的顯著特點(diǎn)，其模塊的成本大約在20元，而ZipBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也是不需要繳納專利費(fèi)用的，這也大大降低了其成本，從一定意義上講，較低的成本費(fèi)用是ZipBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用的重要原因。ZipBee網(wǎng)絡(luò)的通訊時(shí)延較短，從休眠轉(zhuǎn)換為激活狀態(tài)也只需15ms的時(shí)間。工作中的設(shè)備接入信道的時(shí)延也僅為15ms，ZipBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)能夠很好地滿足那些對(duì)時(shí)延控制要求較高的無(wú)線控制應(yīng)用。在設(shè)備功耗方面，因?yàn)閆ipBee的傳輸速率相對(duì)較低，其數(shù)據(jù)發(fā)生功率只有1mw，同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)還添加了設(shè)備的休眠模式，進(jìn)一步降低了功耗，保證了ZipBee設(shè)備的節(jié)能省電，在使用過(guò)程中，只需要給設(shè)備裝配兩節(jié)5號(hào)電池就能保證6-24個(gè)月的穩(wěn)定供電，避免經(jīng)常更換電池帶來(lái)的麻煩。

2 ZipBee的硬件及網(wǎng)絡(luò)

ZipBee中包含兩種類型的硬件設(shè)備，一種是精簡(jiǎn)功能型設(shè)備（RFD），另一種是全功能型設(shè)備（FFD）。與全功能型設(shè)備相比較精簡(jiǎn)功能型設(shè)備只具有一部分的功能，在全功能型設(shè)備之間以及全功能型設(shè)備與精簡(jiǎn)功能型設(shè)備之間可以相互通訊，但精簡(jiǎn)功能型設(shè)備之間則無(wú)法進(jìn)行通訊。在ZipBee的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)設(shè)備的不同功能和作用分別確定了三種不同類型的邏輯設(shè)備，它們分別是ZipBee協(xié)調(diào)器、ZipBee路由器以及ZipBee終端設(shè)備。在一般情況下，ZipBee協(xié)調(diào)器和路由器是由全功能型設(shè)備配置而成，而ZipBee終端設(shè)備大多數(shù)情況下是由精簡(jiǎn)功能型設(shè)備配置得到。在系統(tǒng)中建立與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)由ZipBee協(xié)調(diào)器完成，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，在ZipBee系統(tǒng)中充當(dāng)中繼節(jié)點(diǎn)角色的是路由器，它可以完成路徑的優(yōu)選及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)工作，而處于系統(tǒng)末端的ZipBee終端設(shè)備其功能則相對(duì)單一，通常進(jìn)行一些較為簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收工作。

在實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)工作的需要可以對(duì)ZipBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靈活的布置，例如可以構(gòu)建成星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)亦可以構(gòu)建成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在星型布置的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的全部設(shè)備都和PAN網(wǎng)路協(xié)調(diào)器中心設(shè)備進(jìn)行通訊。采用這種類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，要對(duì)協(xié)調(diào)器采取持續(xù)的電力供應(yīng)，系統(tǒng)的其他設(shè)備可以以電池來(lái)進(jìn)行供電。相比于星型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只要保證設(shè)備相互間能夠正常地接收無(wú)線信號(hào)即可，系統(tǒng)內(nèi)的任意兩個(gè)設(shè)備間都能夠?qū)崿F(xiàn)通訊，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中同樣要由協(xié)調(diào)器來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息進(jìn)行綜合處理，對(duì)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行認(rèn)證等。

3 ZipBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行ZipBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需從硬件和軟件兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行考慮。硬件設(shè)備為軟件系統(tǒng)建立運(yùn)用平臺(tái)，而通過(guò)軟件系統(tǒng)來(lái)指揮硬件執(zhí)行相應(yīng)的命令，二者協(xié)同工作發(fā)揮作用。

無(wú)線模塊硬件系統(tǒng)主要是微處理器芯片與射頻芯片等構(gòu)建起來(lái)的，微處理器的類型較多，可以根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)選擇，如RISC處理器、ARM處理器等。對(duì)于一些較為小型的應(yīng)用，采用LPC2106微處理器具有較大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠涔暮统叽缍驾^小。以UART和SPI與SSP、I2C建立系統(tǒng)的通訊接口讓其能夠和SRAM共同發(fā)揮作用，從而讓LPC2106微處理器更好地實(shí)現(xiàn)通訊網(wǎng)關(guān)與協(xié)議轉(zhuǎn)換器和它本身所具有的強(qiáng)大的信息處理能力。射頻芯片運(yùn)用較多的是CC2420、CC2430等，Chipcon公司開(kāi)發(fā)的芯片是采用的完全集成壓控震蕩技術(shù)，它的優(yōu)點(diǎn)在于只要有無(wú)線發(fā)射天線、16MHz晶體這些最基本的電路系統(tǒng)就可以保證其在相應(yīng)頻段上穩(wěn)定地工作。在CC2420射頻芯片上預(yù)留了SPI接口來(lái)和微處理器進(jìn)行連接，這個(gè)接口既用于系統(tǒng)設(shè)置，同時(shí)還用來(lái)傳輸信息數(shù)據(jù)。

在完成了硬件系統(tǒng)的建設(shè)后，需要在ZipBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上配置適應(yīng)的軟件系統(tǒng)。它的軟件系統(tǒng)包括嵌入式的操作系統(tǒng)、ZipBee協(xié)議棧以及其他的一些相關(guān)應(yīng)用程序等。嵌人式操作系統(tǒng)內(nèi)核能夠?qū)θ蝿?wù)進(jìn)行高效的調(diào)動(dòng)、隊(duì)列管理以及中斷處理等操作，它還附帶了硬件設(shè)備的全部驅(qū)動(dòng)程序。相關(guān)的應(yīng)用程序包括射頻通信程序、串口通信程序以及信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(cè)程序等，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)通常采用模塊化設(shè)計(jì)，這樣做的好處是使程序系統(tǒng)的層次分明，具有良好的擴(kuò)展性，同時(shí)對(duì)ZipBee技術(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)也是有利的。程序設(shè)計(jì)時(shí)大致可以劃分為三個(gè)部分包括協(xié)議棧、調(diào)度以及公共模塊部分。協(xié)議棧模塊的設(shè)計(jì)與ZipBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)分層相匹配，調(diào)度模塊的主要作用是對(duì)不同的任務(wù)調(diào)用相應(yīng)的協(xié)議棧模塊，程序中設(shè)置的存儲(chǔ)模塊及計(jì)時(shí)模塊能夠給所有的協(xié)議棧模塊釋放公共的操作空間。另外也建立了共享的緩沖區(qū)域，它主要起到方便存儲(chǔ)協(xié)議棧模塊與調(diào)度模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換的作用。

4 調(diào)試與測(cè)試工作

在完成了系統(tǒng)的建設(shè)后，要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試工作以便檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，確保系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，才能真正保證系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。需要進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)組網(wǎng)測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)通信速率測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)通信延遲測(cè)試以及通信距離的測(cè)試等。通過(guò)這些測(cè)試和調(diào)試來(lái)對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲、覆蓋范圍以及安全性等進(jìn)行檢測(cè)和修訂，保證系統(tǒng)在投入使用后能夠穩(wěn)定地工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)ZipBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析研究，旨在尋找技術(shù)優(yōu)良同時(shí)經(jīng)濟(jì)合理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，ZipBee技術(shù)具有安全穩(wěn)定性高、網(wǎng)絡(luò)的信息容量大、成本低、時(shí)延短以及功耗低等特點(diǎn)非常適合應(yīng)用開(kāi)發(fā)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，在科技創(chuàng)新的浪潮中ZipBee技術(shù)必將取得更多的成就，更好地服務(wù)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)。

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