王 磊，李 勇，付國慶

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與軟件分院，烏魯木齊 830021)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

王 磊，李 勇，付國慶

(新疆輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與軟件分院，烏魯木齊 830021)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線通信技術(shù)不斷成為當今社會的通信方面的主流發(fā)展方向;對于一種可以集所有通訊方式的優(yōu)點為一體，并且可以實現(xiàn)遠距離網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)姆绞匠蔀楝F(xiàn)在通訊技術(shù)行業(yè)的主要研究方向;而文章根據(jù)一種基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)進行研究，設(shè)計出一種可以滿足當今通信需求的硬件平臺;其中應(yīng)用到ZigBee協(xié)議中的短距離傳輸技術(shù)和將其與SPI接口連接完成的一種通信技術(shù)手段;最后將ZigBee單片機通過USB接口與計算機相連接完成通信無線傳輸工作;文章中提出了這種平臺設(shè)計的軟件設(shè)計方案和硬件設(shè)計方案，并且通過軟硬件設(shè)計，分析出其所具備的優(yōu)點和未來發(fā)展能力;通過對比試驗，得出這種無線傳播方式有更好的傳播效率和節(jié)省能源的優(yōu)勢。

ZigBee協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)通信；系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

在21世紀以來，世界上計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)不斷發(fā)展，這一領(lǐng)域已經(jīng)逐漸成為較完善的新興技術(shù)。然而，隨著這些當中衍生出來的傳感器技術(shù)、嵌入式計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及無線通信的技術(shù)更新以及分布式信息處理技術(shù)和相關(guān)的處理觀念模式的形成，也提出了一種基于以上技術(shù)的優(yōu)點和融合的新型通信技術(shù)，這種技術(shù)可以將現(xiàn)在所需要的數(shù)據(jù)采集、通信、信息處理等工作同時進行并且工作效率和工作能力更為突出。因為這種無線裝置的節(jié)點從組成部分來看就是一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)，這也決定這這種無線傳感設(shè)備具備更強的自組織能力和無人看守即可運行的能力，使得在現(xiàn)在的各個領(lǐng)域都有著不俗的表現(xiàn)。

在對無線傳感的開發(fā)和運行進行研究得出，目前的大多數(shù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系都是由3個基本的部分組成，分布式傳感器節(jié)點、接收以及發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)以及用戶接口界面組成的，另外還有其他輔助功能的部分組成。在這些基礎(chǔ)部分當中都各司其職，傳感器節(jié)點是作為整個網(wǎng)絡(luò)無線通信的核心部分，其起到的作用是信息的傳送和處理并且響應(yīng)主機發(fā)送來的指令[1]。而由于目前的傳輸節(jié)點的功率都比較低，進行的傳輸距離非常有限，在進行遠距離傳輸工作的時候需要在兩地之間設(shè)立非常多的傳輸中繼站才能完成傳輸工作。而在網(wǎng)絡(luò)無線傳感工作中所使用的網(wǎng)關(guān)節(jié)點就相較以往的節(jié)點有著很大的不同，其擁有著龐大的數(shù)據(jù)儲存空間和極為快速的處理器可以對信息進行及時的預(yù)處理。為此本文設(shè)計一種利用ZigBee協(xié)議下的無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，實現(xiàn)遠距離傳輸和信息傳輸過程中的可靠性提高。這種節(jié)點基本的工作流程是將網(wǎng)絡(luò)中的信息接收過來然后進行簡單的預(yù)處理再將信息發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)，最后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心以完成傳輸工作[2]。

1 ZigBee技術(shù)的簡析

ZigBee技術(shù)主要是一種無線傳輸技術(shù)，而這種技術(shù)具備低速率以及低能耗的優(yōu)點。但是在根本上來說，其還是一種短距離傳輸方式。這種技術(shù)在目前主要適用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自動控制和遠程控制領(lǐng)域當中。以往采用的通訊技術(shù)在目前的環(huán)境下都顯現(xiàn)出來較為明顯的缺點。其中RF芯片是較為普遍的用于近距離傳輸，但是它很明顯的顯現(xiàn)出兼容性差以及操作性極低的缺點。而且對與這種技術(shù)的應(yīng)用在軟件設(shè)計方面就存在著很大量的工作，需要進行較多量的代碼編寫工作，所以容易產(chǎn)生錯誤和效率低的問題。而今天研究的ZigBee網(wǎng)關(guān)技術(shù)則可以解決以上的問題[3]。其在設(shè)計階段秉承著網(wǎng)絡(luò)擴充和節(jié)省能源的原則，而且在目前也漸漸的得到了相關(guān)部門的肯定，被作為現(xiàn)在傳感器的基本通信組件。因為ZigBee本身的容積就非常的小，只有32KB大小，這也在很大程度上解決了目前處理器當中的性能和容量的問題，使得設(shè)計和開發(fā)成本極低。

2 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議架構(gòu)

在ZigBee的協(xié)議構(gòu)架當中，其物理層和鏈路層都是用的是現(xiàn)在最為常見的無限個人區(qū)域網(wǎng)的標準協(xié)議。即為IEEE802.15.4。然而在開發(fā)的過程當中，根據(jù)ZigBee的獨有特性中物理層多樣的優(yōu)勢，使其在協(xié)議IEEE802.15.4的基礎(chǔ)上又進行了較為完善的擴充和開發(fā)。重新將整個構(gòu)造定義為了系統(tǒng)層面，而在這里面有著網(wǎng)絡(luò)層和會聚層兩層，并且設(shè)立了較為完善的高層應(yīng)用規(guī)范，使得整個系統(tǒng)非常的完整。其中，ZigBee的協(xié)議框架利用圖1來進行展示。

圖1 ZigBee協(xié)議的基本架構(gòu)

通過對以上的框架圖進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，在物理層有兩個標準來進行定義的，其為868/915 MHz以及2.4 GHz兩種物理層標準。而這兩種不同的物理層所使用的數(shù)據(jù)包格式都是一樣的，所以說它們是相互支持的。并且物理層在進行數(shù)據(jù)包接收都是利用直接序列擴頻的方式，并且運用CSMA-CA的信道來進行接入。所以，分為兩個不同的物理層標準是因為其所應(yīng)用的工作頻率和相關(guān)的擴頻要素以及傳輸速率都不盡相同，并且根據(jù)不同的需求采用不同的物理層標準。其中，8S68 MHz的傳輸速率只有20 kB/s，而916 MHz的傳輸速率則可以達到40 KB/s。在調(diào)制上都是利用了BPSK來進行相關(guān)數(shù)據(jù)的調(diào)制工作。但是較為突出的是，在采用了2.4 GHz來進行傳輸時，因為其有16個通信通道，為此它的傳輸速率則可以高達300 KB/s[4]，因為其高速的傳輸速率使得在傳輸過程中的DSSS采用的是32個碼片每個符號上，而調(diào)制也選擇了更高性能的O-QPSK來進行。而在數(shù)據(jù)鏈路層中，通過圖中可以看出分層了上下兩個層次，為邏輯鏈路控制層和媒介訪問控制層。而在上層中的MAC可以支持多種邏輯鏈路控制層，而且不同的邏輯鏈路控制層則需要根據(jù)自身的屬性選擇適合的物理層來進行傳輸，并且其主要依靠的還是硬件設(shè)施，對其的要求也有著不同。而且邏輯鏈路控制層所采用的標準也是其中的IEEE802.6的標準定義。而在研究中得出可以利用將媒介訪問控制層的地址設(shè)定成兩類，一類是處理能力較小和容量較小的16b局部地址，專門處理簡單的信息傳輸和容量較小的數(shù)據(jù)，一類是處理能力極強并且容量極大的64b擴展地址，專門處理復(fù)雜和數(shù)據(jù)量極大的數(shù)據(jù)傳輸工作。利用這種分類處理的辦法可以很大程度上的增加ZigBee網(wǎng)關(guān)的靈活性能，并且在很大程度上做到資源的合理分配和有效的資源利用，不至于產(chǎn)生余富空間而浪費。

3 ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)的設(shè)計

在整體架構(gòu)構(gòu)造上采用的是無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以及監(jiān)控中心共同組成。而無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點則需要若干個，并且每一個節(jié)點都履行其對于數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸工作。而在監(jiān)控中心上的構(gòu)造則是由一個主節(jié)點作為所有的信息接收部分，硬件則為一臺計算機和一個調(diào)節(jié)器來組成。調(diào)節(jié)器的主要作用則是將整個系統(tǒng)中由中心向外連接的多個節(jié)點進行調(diào)節(jié)，在外部網(wǎng)絡(luò)中多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點都分別進行著數(shù)據(jù)分析和傳輸，而最終到的位置都是控制中心，所以調(diào)節(jié)器要將這些不斷傳來的數(shù)據(jù)進行簡單的分類和發(fā)送相關(guān)指令的作用。其最為重要的則是調(diào)節(jié)由監(jiān)控中心發(fā)出來的指令進行調(diào)節(jié)后發(fā)送到指定的外網(wǎng)網(wǎng)關(guān)當中。

而本文主要強調(diào)的是外部ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所采用的也是嵌入式的構(gòu)造模式，其主要有四個部分而組成，數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、無線傳輸、電源。和其他的傳輸技術(shù)一樣，在數(shù)據(jù)采集部分中其主要是收集各類信息或是信號，并且將收集來的不同類型的信號都轉(zhuǎn)化為可以在計算機中解讀的數(shù)字信號。預(yù)處理則是將轉(zhuǎn)化為的數(shù)字信號進行簡單的處理，而且這個部分也是整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的最為重要的部分。它不僅僅處理收集來的信號也對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的其他設(shè)備和部分進行控制和設(shè)備中的一些屬性進行處理。其中對于路由協(xié)議的處理功能可以保證整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全性和可靠性。無線傳輸部分很容易理解的就是將這些預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行傳輸，使其可以到達監(jiān)控中心進行完善的處理工作。電源一般性的都采用三枚1.5伏電壓的電池，而且也支持使用紐扣電池以節(jié)省體積和占地面積。圖2為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本構(gòu)造模型。

圖2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點基本構(gòu)造模型

3.2 硬件設(shè)計

芯片采用最新的CC2430芯片，這種芯片可以對目前的物聯(lián)網(wǎng)云平臺ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點所使用的2.4 GHz的波段實現(xiàn)更加低廉的成本和減少資源浪費的要求。并且在芯片上結(jié)合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存以及微控制器，使得整個工作更加完善。無線傳輸部分則采用MC13192發(fā)射器，這種發(fā)射器可以在2.4 GHz ISM頻段下進行工作和傳輸數(shù)據(jù)[5]。并且在傳輸?shù)乃俣壬峡梢缘玫?56 KB/s的速度，以及擁有的16個不同的通信通道。在調(diào)制器上面選擇QPSK調(diào)制器，以及可以直接序列擴張頻率的編碼，在連接上則采用6線串行的接口進行協(xié)議通信連接。在處理設(shè)備的選擇上沒有固定的設(shè)計，因為在選擇上必須根據(jù)實際可能出現(xiàn)的情況來選擇較為適合的處理器。并且選擇的處理器必去可以得到IEEE802.15.4協(xié)議以及ZigBee系統(tǒng)的支持。在很大程度上解決了傳統(tǒng)方法下處理器當中的性能和容量的問題，使得設(shè)計和開發(fā)成本極低。

預(yù)處理部分的組成部分為單片機、復(fù)位電路、濾波電容、上拉電阻共同組成。并且為了使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點實現(xiàn)最大程度的能耗，協(xié)議的選擇上采用HCS08協(xié)議，這種協(xié)議是目前最新的8位協(xié)議。因為目前的許多16位協(xié)議雖然在性能上會稍高于這種8位協(xié)議，但是其具備這非常強大的低能耗優(yōu)勢，而且在差距上并不是很大。在數(shù)據(jù)儲存庫方面所采用的則是MC9S08GT60儲存片，這種儲存片可以支持60K大小的flash文件或是4K大小的數(shù)字文件，對于強調(diào)簡單和小容量的ZigBee網(wǎng)絡(luò)來說這個容量已經(jīng)可以對保證其運行的相關(guān)程序進行儲存了。圖3表示無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)和關(guān)系圖。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)和關(guān)系圖

3.3 軟件設(shè)計

在軟件開發(fā)上采用的主平臺為物聯(lián)網(wǎng)云平臺，節(jié)點中的各個設(shè)備間的連接采用串口連接模式。數(shù)據(jù)的傳輸和接收則利用主從節(jié)點的方式，使用USB接口連線使得和計算機進行連接。而且節(jié)點在一般的情況下或是沒有數(shù)據(jù)的情況下不進行工作，以此來節(jié)省能源，在出現(xiàn)中斷請求或是需要進行數(shù)據(jù)傳輸時才激活以后開始運作。因為ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點會有許多個節(jié)點同時存在，而且每一個節(jié)點都是同時工作和接受不同的信息，所以不同的節(jié)點都要設(shè)置相應(yīng)的地址。其中數(shù)據(jù)包的格式為“Preamble-SFD-FLI-Code B-Payload Date-FCS”。翻譯過來就是“前導(dǎo)碼-幀起始定界符-幀長度-代碼-自動幀檢驗序列”。

而整個程序當中則設(shè)計為“主程序-通信鏈路子程序-數(shù)據(jù)處理程序-發(fā)送程序-中斷接收程序-數(shù)據(jù)模式轉(zhuǎn)換程序”。軟件設(shè)計如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計流程

不僅僅是程序上的組成部分也是其運作的流程順序。在傳感器打開電源之后進行單片機和ZigBee模塊的初始化，建立一個通信鏈路并且進行休眠模式，節(jié)省電源。而中斷鏈接則會激活系統(tǒng)使其工作。當信息傳遞的工作進行完畢后，系統(tǒng)將自動進入到休眠模式以節(jié)省電源，在中斷鏈接再次發(fā)生時再進行激活工作。為此，在協(xié)議上合理利用CC2430芯片的休眠和激活工作，可以在沒有工作時節(jié)省系統(tǒng)開機所產(chǎn)生的一部分能耗，充分的做到資源的最佳利用[6-8]。

4 對比試驗檢測分析

為了對設(shè)計出的物聯(lián)網(wǎng)云平臺ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的相關(guān)數(shù)據(jù)總結(jié)和分析其性能。以及其所存在的優(yōu)越性，將其與其他的傳輸方式進行對比分析[9-10]。其中進行對比的有紅外技術(shù)(LrDA)、藍牙傳輸技術(shù)(Bluetooth)、無線局域網(wǎng)傳輸方式(Wi-Fi)。將各自的相關(guān)數(shù)據(jù)進行對比，制作成表1。

表1 ZigBee與其他短距離傳輸技術(shù)數(shù)據(jù)對比表

通過以上的分析可以看出，這些不同形式的通信傳輸工具都有著自己的傳輸方式和適用對象，但是物聯(lián)網(wǎng)云平臺ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信體現(xiàn)出了更高的性能和適用性，其可以在更多的方面來進行應(yīng)用。而且這個傳輸方式所可以應(yīng)對的距離更遠且穩(wěn)定性更高，雖然在速度上不及其他傳輸系統(tǒng)，但是其是作為極低能耗和較遠傳輸和安全性的前提下被設(shè)計出來的。其具備的屬性可以完整的顯示出在這些方面的優(yōu)越性，而且其多節(jié)點的設(shè)置也使得其可以將信息的完整性和傳輸穩(wěn)定性更高。

5 結(jié)論

通過研究可以在很大完成度上實現(xiàn)RF芯片的良好通用性以及可擴展性，使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信更加的完善化和進步化，而且在物聯(lián)網(wǎng)云當中將網(wǎng)絡(luò)中的信息傳遞做得更完善。因為物聯(lián)網(wǎng)云平臺ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸其主打的是低能耗和低數(shù)據(jù)傳輸，所以其無法勝任目前藍牙和Wi-Fi通信中的大數(shù)據(jù)傳輸，但是作為傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面卻有著很高的性能。它可以在短距離內(nèi)實現(xiàn)任何傳感器的數(shù)據(jù)傳輸和命令輸送功能，并且輸入指定的命令，使得整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化和無線化的優(yōu)點。其中最為主要的方面則是該系統(tǒng)可以連接第三方設(shè)備上，只要利用傳感器和控制器的加入，便可以實現(xiàn)在短距離內(nèi)對任何設(shè)備的控制。這在工廠或是家庭內(nèi)部各設(shè)備間實現(xiàn)無線連接和控制都有著發(fā)展的可能。

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Design of ZigBee Wireless Communication Network Node Based on Internet of Things Cloud Platform

Wang Lei,Li Yong,Fu Guoqing

(Department of Information and Software,Xinjiang Institute of Light industry Technology,Urumqi 830021,China)

With the development of science and technology, wireless communication technology has become the mainstream development direction of communication in today’s society. For this, we can integrate all the advantages of the communication mode as a whole, and can realize the remote network communication transmission that has become the main research direction of the communication technology industry. According to a wireless network communication architecture based on ZigBee protocol, this paper designs a hardware platform which can meet the needs of today’s communication. Which is applied to the ZigBee protocol in the short distance transmission technology and the SPI interface with the completion of a communication technology means. In the end, the ZigBee MCU is connected with the computer through the USB interface to complete the communication and wireless transmission work. In this paper, the software design and hardware design of the platform are proposed, and the advantages and the future development of the software are analyzed through the software and hardware design. Through the comparison test, it is concluded that this kind of wireless communication mode has the advantage of better transmission efficiency and energy saving.

ZigBee protocol; network communication; system design

2016-12-02；

2017-01-05。

王 磊(1967-)，男，江蘇無錫人，講師，主要從事網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)方向的研究。

1671-4598(2017)05-0203-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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