基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡的設計

摘要：首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡的基本拓撲結構與傳感器節(jié)點的結構，詳細說明了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡的建立過程，包括協(xié)調(diào)器啟動及建立網(wǎng)絡、傳感器節(jié)點啟動及加入網(wǎng)絡、傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間建立綁定以及傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。設計了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)。以采集溫度信息為例，協(xié)調(diào)器能夠接收到傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并能通過RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行顯示。實驗顯示在距離80m遠處，系統(tǒng)仍能保持良好的通信質(zhì)量。
關鍵詞：ZigBee協(xié)議棧；無線傳感器網(wǎng)絡；協(xié)調(diào)器；傳感器節(jié)點

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成多跳、自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
目前能夠用于短距離無線傳感網(wǎng)絡的通信技術主要有5種：Wi-Fi技術、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)技術、近場通信(Near Field Communication，NFC)技術、藍牙以及ZigBee技術。其中，ZigBee是基于IEEE802．15．4的一種新興短距離無線通信技術，其特點是低功耗、低速率、低復雜度、低成本等。這些特點決定了ZigBee技術非常適合應用于無線傳感網(wǎng)絡中，因此ZigBee技術被認為是最有可能應用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全監(jiān)控等領域的無線技術。在ZigBee協(xié)議的制定中，IEEE802．15．4無線標準定義了物理層(Physical Layer，PHY)和介質(zhì)訪問控制層(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)，而ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡層和應用層是由ZigBee聯(lián)盟制定的。
支持ZigBee協(xié)議的無線通信芯片主要有TI公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale半導體公司推出的MC13191、MC13192及MC13 193等芯片。CC2430是世界上首個單芯片ZigBee解決方案，除了保持CC2420所包括的優(yōu)良射頻性能之外，其內(nèi)部還集成了一個增強型8051內(nèi)核，這使得CC2430成為市面上最具有競爭力的ZigBee無線收發(fā)芯片。
文中設計了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡，該系統(tǒng)包括一個協(xié)調(diào)器和四個終端傳感節(jié)點。以采集溫度信息為例，實現(xiàn)了無線通信功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行處理及顯示。

1 無線傳感網(wǎng)絡的結構
1．1 網(wǎng)絡體系結構
無線傳感網(wǎng)路中的基本單元是傳感器節(jié)點，根據(jù)其在網(wǎng)絡中的所承擔的任務不同，傳感器節(jié)點可以分為3類：協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點。在網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器負責建立網(wǎng)絡，允許路由器和傳感器節(jié)點與其綁定，并接收路由器和傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，以及傳送給PC機進行處理、存儲等；傳感器節(jié)點負責感知被測對象的物理信息，并將其無線發(fā)射給協(xié)調(diào)器；但如果傳感器節(jié)點距離協(xié)調(diào)器太遠，則需要
路由器在中間進行中繼。傳感網(wǎng)絡的拓撲結構一般有3種：星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡。
星型拓撲結構具有組網(wǎng)簡單、低成本和低功耗等優(yōu)點，但網(wǎng)絡覆蓋范圍有限；樹型網(wǎng)絡可以擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍，傳感器節(jié)點傳感器所采集的數(shù)據(jù)可以通過路由器中繼的方式到達協(xié)調(diào)器；網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有高可靠性和覆蓋范圍大等優(yōu)點，但功耗大、管理復雜。在實際應用，要根據(jù)實際需求來選擇網(wǎng)絡拓撲結構。
1．2 傳感器節(jié)點的結構
無線傳感網(wǎng)絡中的節(jié)點按照其所具備的功能來分，可分為全功能設備(Full Funclion Device，F(xiàn)FD)和精簡功能設備(Reduced Function Device，RFD)。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和路由器必須由FFD來承擔，傳感器節(jié)點一般由RFD來實現(xiàn)。但不管是FFD還是RFD，其硬件的基本結構基本上相同，一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊4個基本部分，如圖1所示。傳感器模塊用于感知被測對象的物理信息，并將其轉換為電信號；微處理器模塊負責處理及存儲數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責發(fā)射與接收無線電信息；能量供應模塊為整個系統(tǒng)提供能量。此外，傳感器節(jié)點還可能包括一些輔助單位，如定位模塊、自供電模塊等。與傳感器節(jié)點和路由器相比，協(xié)調(diào)器一般需要和PC機相連，所以其帶有RS232接口或USB接口等。