引言
無線網絡的市場發展在邏輯上可分為而向語音的市場和面向數據的市場兩類。在許多以數據傳輸為主的無線網絡中，小型、低成本、低復雜度的無線網絡的應用場合十分廣泛。ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術，其網絡標準由IEEE 802.15.4規定。ZigBee協議比藍牙、高速率PAN(個人局域網)或者IEEE 802.11x無線局域網更加簡單實用。
1 IEEE 802.15.4標準和ZigBee技術
IEEE的無線PAN工作組制定的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎，目的是為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10 m左右的低速連接。
1.1 IEEE 802.15.4協議架構及其技術特點
IEEE 802.15.4滿足ISO(國際標準化組織)OSI(開放系統互連)參考模式。它定義了單一的MAC(媒體訪問控制)層和多樣的物理層。
IEEE 802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS(業務相關的會聚子層)協議承載IEEE802.2類型1的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4的MAC層服務。
IEEE 802.15.4定義了2.4 GHz物理層和868／915 MHz物理層2個標準，它們都基于DSSS(直接序列擴頻)，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。915／868 MHz頻段是基于差分編碼的BPSK(二進制相移鍵控)，2.4 GHz頻段采用十六進制正交調制。2.4 CHz頻段共有16個不同的信道為全球統一的無需申請的ISM(工業、科學、醫療)頻段，采用高階調制技術能提供250 kbit／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更省電。868 MHz是歐洲的ISM頻段，只有1個信道，915 MHz是美國的ISM頻段，有10個信道，引入這2個頻段避免了2.4 GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868 MHz傳輸速率為20 kbit／s，916 MHz傳輸速率為40 kbit／s。這2個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。
1.2 ZigBee技術
ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。
ZigBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。
a) 物理層：遵循IEEE 802.15.4協議，是協議的最底層，承擔著與外界直接作用的任務，控制RF收發器工作，采用擴頻通信，信號傳輸距離為室內50 m，室外150 m。
b) MAC層：遵循IEEE 802.15.4協議，負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，可選時隙，實現低延遲傳輸，支持各種網絡拓撲結構，網絡中每個設備為16位地址尋址。
c) 網絡層：建立新的網絡，處理節點的進入和離開網絡，根據網絡類型設置節點的協議堆棧，使網絡協調器對節點分配地址，保證節點之間的同步，提供網絡的路由，保證數據的完整性，使用可選的AES-128對通信加密。
d) 應用層：應用支持層維持器件的功能屬性，發現該器件工作空間中其他器件的工作，根據服務和需求使多個器件之間進行通信，根據具體應用由用戶開發。
2 ZigBee的網絡結構
Zigbee支持星形網、對等網和混合網3種網絡拓撲結構。圖3是混合型ZigBee組網。每種網絡都有各自的優點。星形網以一個功能強大的主器件作為網絡的中心，負責協調全網的工作，其他的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內。這種網絡的控制和同步都比較簡單，適用于設備數量比較少的場合。對等網又分為點對點和簇樹形2種，是由主器件連接而成的。這種網絡能提供更高的可靠性。星形網和對等網相結合形成了混合網，各子網內部以星形連接，主器件又以對等方式相連。這種網絡適用于對網絡要求最復雜的情況。一般在現實的應用環境中，混合型具有更大的實用性。
在無線傳感器網中的節點是由軟件層和硬件層共同配合來實現功能的。在應用ZigBee芯片建立無線傳感器網時，ZigBee芯片硬件內置物理層和MAC層的一部分功能，其他高層由外而的MPU解決，通過對MPU的寫入，來實現ZigBee的高層協議。
節點應用部分裝置根據監控的不同位置(比如溫度、聲音、振動、壓力、運動或瀉染物)起不同的作用。通常這些裝置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它們的資源(能源、存儲、計算速度和帶寬)嚴重受限。每個節點都具備一個無線電收發器、一個很小的微控制器和一個能源(通常為電池)。這些裝置互相幫助，將數據傳輸到一臺監控計算機。
由于大部分的節點只需要有數據傳輸的功能，不需要有控制能力，ZigBee技術將節點從器件上分為3類(見圖3)：
a) RFD(簡化功能器件)。RFD內存小，功耗低，在網絡中作為源節點，只發送與接收信號，并不起轉發器／路由器的作用。
b) FFD(全功能器件)。在網絡中，FFD是具有轉發與路由能力的節點，擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，并且處理控制能力也相應得增強。
c) 網絡主機或網關。ZigBee還支持第3種節點，即網絡主機或網關節點，起到與外部系統接口或協調與其他網絡的路由作用。FFD有時起網關的作用。
一個網絡只需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統資源僅約為4 kB，因此網絡的整體成本比較低。
通常，底層FFD和RFD將由MCU(微控制器)控制，該MCU通過隊列QSPI(串行外設接口)與ZigBee收發器相連。MCU的選擇取決于該設備是否作為一個其下仍轄有ZigBee網絡層的FFD。基礎的RFD通常由一個8位MCU控制，但對FFD來說，根據其復雜程度及所連接的網絡，其控制單元可以是8位、16位或低端的32位MCU。
PAN協調器負責協調整個網絡以及與中央控制點的通信，所以它是構建一個ZigBee網絡的關鍵所在。對PAN協調器的關鍵要求包括：
a) 在更大更復雜的系統(如一個制造場所)，其中央控制點很可能超出ZigBee網絡的覆蓋范圍，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN協調器可能需通過有線連接與中央控制點進行通信。因為以太網在工業市場的應用越來越普及，所以在大多數場合，以太網是最可能的選擇。系統中以太網的應用為網絡設計帶來兩個潛在影響：一是要考慮處理以太網接口所需的處理器帶寬；二是為驅動以太網接口，網絡將需要相應的底層驅動程序和協議棧，這就增加了系統內PAN控制器對程序存儲器的需求。
b) 驅動整個PAN網絡的通信。因為一個大的PAN網絡將使通信量增加，所以PAN協調器需要更高的帶寬。
c) 標記整個ZigBee PAN。PAN協調器必須存儲整個網絡的“地圖”，并識別網絡內哪些節點是FFD或RFD以及各部分的功能。對復雜的大型工業系統來說，為存儲這樣一張圖將需要更多的存儲器。
d) 具備與網絡中的新節點建立動態鏈接的能力。在大型系統的使用周期中，系統可能需要添加新節點。PAN協調器必須能容易地與這些新節點建立連接，無論它們在網絡中的任何一點，也無論它們是FFD還是RFD。此外，PAN協調器要能確定這些新節點在網絡中的職責。為使PAN協調器有效地履行這種任務，它需要更大的小地程序存儲器，因而也必須具備訪問這些存儲器的能力。
一個基于ZigBee的WPAN(無線個域網)能支持高達254個節點，外加一個全功能器件，即可實現雙向通信完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4 kB或者作為Hub或路由器的協調器的32 kB。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。
3 基于ZigSee芯片構建無線傳感器網
基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網是由一組ZigBee節點以Ad Hoc方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者傳感器、感知對象和觀察者，它們是傳感器網絡的3個基本要素；傳感器與觀察者之間的通信方式是無線，用于存傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協作地感知、采集、處理、發布感知信息是傳感器網絡的基本功能。一組功能有限的傳感器協作地完成大的感知任務是傳感器網絡的重要特點，傳感器網絡中的部分或全部節點可以移動，傳感器網絡的拓撲結構也會隨著節點的移動而不斷地動態變化。節點問以Ad Hoc方式進行通信。每個節點都可以充當路由器的角色，并且每個節點都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力。
基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網可以利用GSM(全球移動通信系統)網絡、CDMA(碼分多址)網絡、以太網等來實現數據的傳輸與控制(見圖5)，網絡可以采用星形或者混合型拓撲和需求時喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低每個ZigBee傳感器節點的功耗，減少傳感器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率。
中央控制中心通過網絡與多個匯節點連接，匯節點和傳感器節點之間通過ZigBee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點；控制中心通過網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。分布在傳感器網絡中的匯節點主要用于接收傳感器節點的數據上報，并將其進行融合處理，傳給無線通信數據傳輸模塊，通過網絡傳遞給中央信息控制中心。ZigBee模塊與MCU之間的連接是通過異步串行口實現的，它們之間的通信速度為38.4 kB／s，MCU控制通信模塊完成匯節點和中央控制中心的通信，由于傳感器網絡中分布著多個匯節點，因此16位MCU要利用軟件中斷實現對不同ID匯節點上傳數據輪詢掃描，使匯節點的數據可以有序、完整地通過MCU處理后傳出。匯節點在此傳感器網絡中充當的是傳感器節點和網絡之間的網關。
近來旭昂成功開發出一種ZigBee轉以太網模塊，這種模塊主要是利用 ZigBee無線傳感器網絡采集來的信息通過TCP／IP協議上傳到互聯網上，無論你身處世界的那個角落，都可以通過ZigBee轉以太網模塊實時進行遠程監控。也可以通過GSM網絡，采用Sie-mens公司TC35模塊作為數據傳輸終端，可以快速、可靠地實現傳感器網絡中數據的傳輸。利用MSP430MCU控制TC35模塊完成匯節點和中央控制中心的通信。
4 結束語
無線傳感器網絡與ZigBee技術的結合有著廣泛的應用前景。本文主要探討了基于ZigBee技術的無線傳感器網絡構建與應用。根據ZigBee協議提出Zig-Bee無線傳感器網絡節點結構，探討經由GSM網絡、CDMA網絡或者以太網在更大的范圍內通過ZigBee無線傳感器網絡達到對信息的控制和采集。這種方式在現實中具有很強的應用性。在不遠的將來，將有越來越多的內置式ZigBee功能的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。
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