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基于ZIGBEE的无线传感网络的研究与设计
作者：冯承金 杨杰
来源：《价值工程》2011年第20期
Design of Wireless Sensor Network Based on ZIGBEE
Feng Chengjin；Yang Jie
（School of Energy and Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430063，China）
摘要：本文简单讲述了无线传感器网络技术在实际中的应用，详细介绍了ZIGBEE技术的定义，特点，和组网原理。其中更是对ZIGBEE的网络节点类型、网络拓扑结构和路由方式进行了深入的研究。最后，基于ZIGBEE技术的特点和组网原理，对无线传感网络进行探索研究，组建了一个简单的无线传感网络，用以采集环境的温湿度数据以及传感器板的电压，并对结果进行了分析。
Abstract: This paper briefly describes the practical application of Wireless Sensor Network technology, detailing the definition and features of the ZIGBEE technology，and networking principles. What's more, the article does further research on ZIGBEE network node type, network topology and routing. Finally, based on ZIGBEE technology, networking features and principles of the wireless sensor network, it sets up a simple Wireless Sensor Network to collect data on
temperature and humidity of the environment, as well as sensor plate voltage, and analyzes the results. 关键词：ZIGBEE 无线传感网络 实时监测
Key words: ZIGBEE；Wireless Sensor Network；real-time monitoring
中图分类号：TN925+.92 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）20-0121-02 0引言
无线传感器网络作为新型的测控网络技术，能够自主实现数据的采集、融合和传输，是智能网络应用系统的一个典范。随着社会的进步和发展，它已经广泛应用于军事、国家安全、环境科学、交通管理、灾害预测、医疗卫生、制造业、城市信息化建设等领域。尤其在危险的工
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作环境中，如野外、矿井等，企业可以通过无线传感器网络来进行过程监控实施安全生产，提高效率。可以说无线传感器网络具有非常广泛的应用前景，其发展和应用必将会给人类的生活和生产等各个领域带来深远的影响[1]。本文立足于新兴的ZIGBEE技术，对无线传感器网络进行了深入的学习与研究，在此基础上设计组建了一个比较高效、稳定的无线传感器网络。 1ZIGBEE技术概述
ZIGBEE技术是一种新兴的无线网络技术，它介于无线标记技术和蓝牙之间，与二者相比具有低复杂度、低功耗、低成本的优势。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。传感器间仅需要很少的能量，便可以接力的方式将数据从一个传感器传到另一个传感器，具有非常高的通信效率[2]。
1.1 ZIGBEE技术的特点作为一种新兴的无线通信技术，近些年ZIGBEE技术得到了快速的发展和推广，究其原因就在于相对于其他的无线传输技术而言具有很大的优势。ZIGBEE的技术特点主要包括以下内容：①功耗低：ZIGBEE节点非常省电，工作时间可以长达6个月到2年左右，甚至一节小小的干电池就可以让它维持几个月的正常工作。②数据传输可靠：由于采取了碰撞避免机制，数据包的发送与接收都需要对方的认证信息，从而避免了数据间的碰撞，大大减少了丢包率。③时延短：通信时延和从休眠状态恢复到正常工作状态的时延都做了相应的优化，时延比较短。④安全性：ZIGBEE不仅提供了数据完整性检查，而且在数据传输中提供了三级安全性，大大提高了数据传输的安全性。⑤ZIGBEE网络的自组织和自愈功能强：网络组建后，ZIGBEE节点能够自动感知其他节点，并建立与其相关的联系，从而组成结构化的网络，整个过程无需人工干预；而且当网络内有节点发生变动时，网络能够自我修复，以保证整个系统的正常工作。
1.2 ZIGBEE网络的设备节点类型ZIGBEE网络的网络容量非常大，ZIGBEE标准规定可以在一个单一的网络中容纳65535个节点[3]。可以说节点的数量是十分庞大的，不过节点的类型却是十分有限的，所有这些节点都属于以下三种节点中的一种。
1.2.1 协调器（Coordinator）不论ZIGBEE网络采用何种拓扑结构（即网络的组织形式，将在下面的章节中进行介绍），网络中都需要有一个并且只能有一个Coordinator节点。总体来说Coordinator的主要任务有四个[4]：①在2400MHz到2483.5MHz的频段中选择网络所使用的频率通道，通常应该是最安静的频率通道。②开始组建一个无线网络。③接收其他节点的请求信息，选择性的允许其他节点加入到刚组建中网络中来。④它通常还会提供信息路由，安全管理和其他的服务。
1.2.2 路由器（Router）如果ZIGBEE网络采用了树形和星形拓扑结构就需要用到Router这种类型的节点，可以说这类节点在网络中占得比重是最大的。它主要有以下两个任务：①在同一个网络内的节点间转发信息以达到通信的目的。②允许一些子节点通过自己加入到它所在的网络中。
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1.2.3 终端节点（End Device）End Device一般处于网络的边缘，主要任务就是发送和接收信息，但它不能够转发信息，也不能让其他节点加入到网络中来。通常一个End Device节点是由电池来供电的，并且为了节省电能，当它不在数据收发状态的时候都是处于休眠状态的。 1.3 ZIGBEE网络的拓扑结构与一般网络的拓扑结构类似，ZIGBEE网络的拓扑结构一般有三种形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑[5]。
1.3.1 星形拓扑这是最简单的一种拓扑形式，在这种拓扑结构中主要包含一个Coordinator节点和一系列的End Device节点。Coordinator是任意两个End Device通信的中转站，也就是说End Device可以自如的与Coordinator进行通信，如果想与其他的End Device节点进行通信的话就必须先通过Coordinator节点进行信息的转发。不难发现，万一网络中的Coordinator发生了故障，整个网络就会陷入瘫痪的状态。
1.3.2 树形拓扑树形拓扑包括一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点，Coordinator既可以与Router相连又可以与End Device相连，而它的Router子节点又可以连接一系列的Router和End Device节点，这样就形成了一个层次清晰的通信网络。 1.3.3 网状拓扑同树形拓扑一样，网状拓扑结构也是由一个Coordinator以及一系列的Router和End Device节点组成。但是与树形拓扑相比，网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接通讯。 2无线传感网络的设计与组建
在本设计中采用网状拓扑结构，网络中各设备节点的组织结构如图1。本系统主要包括两种节点：Coordinator和Router。Coordinator负责接收Router上传的数据，并将所得到的数据通过串口上传到PC。Router负责采集传感器的数据和电池的电压，并将数据周期性的发送到Coordinator节点，而且Router还将自动的转发网络中其他节点的数据[6]。
系统上电以后，网络之中的传感器节点初始化。如果是Coordinator节点，它将会在2400MHz—2483MHz的频段中，扫描选取一个最安静的通道建立一个无线网络，并用一个64位的Extended Address来唯一的标识所建立的网络。然后它将不断的监听端口，一方面接收尚未加入网络节点传来的请求信息，一方面接收已加入该网络中的其他节点的数据，同时将数据传送给PC进行处理，其工作流程如图2所示。而如果是Router节点，系统上电后，它将会扫描自己所在的空间，当扫描到已经组建的无线网络后，它将向Coordinator发出请求信息要求加入到该网络中去。请求被接受后，系统会为Router分配一个16位的短地址用以区分本网络中的其它节点，自此Router节点就可以向Coordinator发送自己所采集的数据，同时也可以转发其它Router的数据，其工作流程如图3所示。 3结果分析