彭燕

(渭南師范學(xué)院物理與電子工程系，陜西渭南714000)

ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究

彭燕

(渭南師范學(xué)院物理與電子工程系，陜西渭南714000)

敘述了新型無(wú)線Zigbee通信技術(shù)，介紹了Zigbee協(xié)議特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);陳述了Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)在協(xié)議棧內(nèi)部的傳輸機(jī)制;詳細(xì)給出了Zigbee設(shè)備形成網(wǎng)絡(luò)時(shí)，各個(gè)設(shè)備工作狀態(tài)及設(shè)備之間網(wǎng)絡(luò)連接過程;最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Zigbee無(wú)線星型組網(wǎng).實(shí)驗(yàn)證明，Zigbee技術(shù)是有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù).

Zigbee技術(shù);無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);協(xié)議棧;無(wú)線星形網(wǎng)絡(luò)

0 引言

ZigBee這個(gè)詞由“Zig”和“bee”組成，它是模仿蜜蜂跳之字形舞.而開發(fā)的類似于藍(lán)牙的新興短距離無(wú)線通信技術(shù)，國(guó)內(nèi)翻譯成“紫蜂”.一個(gè)無(wú)線Zigbee網(wǎng)絡(luò)可由多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊就是一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接.該項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是:低功耗、低成本、低速率、近距離、短延時(shí)、高容量、高安全且工作在2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)免執(zhí)照頻段［1］.在每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊上連接各種傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)，可以應(yīng)用到軍事、農(nóng)業(yè)、智能家居等領(lǐng)域，是一種高效的短距離、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò).本文從Zigbee技術(shù)原理出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)用Zigbee技術(shù)的節(jié)點(diǎn)單元形成網(wǎng)絡(luò)的過程.

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

1.1 Zigbee設(shè)備

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含三種節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器(ZC)、路由器(ZR)和終端節(jié)點(diǎn)(ZED)［2］.

(1)Zigbee協(xié)調(diào)器(ZC)，每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)，用于初始化網(wǎng)絡(luò)信息，它一般上電啟動(dòng)，并配置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)(如設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)示符，選擇信道等)，一旦完成相當(dāng)于路由器.

(2)Zigbee路由器(ZR)，它主要用于允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入，實(shí)現(xiàn)多跳路由，完成與子節(jié)點(diǎn)的通信，并且本身也可作為終端節(jié)點(diǎn)使用，節(jié)點(diǎn)使用電池供電.

(3)Zigbee終端(ZED)，向路由節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)可進(jìn)入睡眠狀態(tài)，否則處于喚醒狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)使用電池供電.

節(jié)點(diǎn)硬件(即Zigbee設(shè)備)結(jié)構(gòu)有許多種形式，最常用的有微處理器加無(wú)線射頻模塊的節(jié)點(diǎn)形式及集成了單片機(jī)的無(wú)線射頻模塊節(jié)點(diǎn).本文研究對(duì)象為最常用的微處理器加無(wú)線射頻模塊的節(jié)點(diǎn)，不同設(shè)備運(yùn)行不同協(xié)議，硬件結(jié)構(gòu)上沒有區(qū)別，具體結(jié)構(gòu)見圖1.

1.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的三種節(jié)點(diǎn)可以組成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2.星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器作為中央控制器連接多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成;網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也由協(xié)調(diào)器、路由器和終端混合組成.在網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)都工作在其通信范圍之內(nèi)，與其它設(shè)備進(jìn)行通信.本文實(shí)驗(yàn)研究星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三個(gè)節(jié)點(diǎn)完成無(wú)線環(huán)境區(qū)域內(nèi)的星型組網(wǎng)連接，其中終端設(shè)備兩個(gè)，協(xié)調(diào)器設(shè)備一個(gè).

2 Zigbee協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)連接

2.1 Zigbee協(xié)議棧

Zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，Zigbee技術(shù)聯(lián)盟提出了其技術(shù)的安全層、網(wǎng)絡(luò)層及API層標(biāo)準(zhǔn).協(xié)議棧結(jié)構(gòu)見圖3.該技術(shù)具體是由各種軟件代碼，分層次組成的軟件協(xié)議棧.代碼分類:應(yīng)用層(App.c)、應(yīng)用安全層、網(wǎng)絡(luò)層(Nwk.c)、MAC層(Mac.c)等，這些代碼是以源代碼和庫(kù)文件的形式出現(xiàn)在程序中.

該Zigbee框架中，PHY定義Zigbee設(shè)備的工作頻段2.4GHZ;MAC層負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的間單跳數(shù)據(jù)通信;SAP是為某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口，不同層間都通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行連接;應(yīng)用層由用戶開發(fā)提供功能服務(wù)函數(shù);安全服務(wù)提供層提供信息安全加鎖服務(wù);網(wǎng)絡(luò)層是該協(xié)議棧的核心部分，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點(diǎn)、路由查找以及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［3，4］.

2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)連接

網(wǎng)絡(luò)連接建立過程首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起，協(xié)調(diào)器啟動(dòng)后搜索附近其它協(xié)調(diào)器，如果沒有發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器，建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，并為新網(wǎng)絡(luò)分配網(wǎng)絡(luò)PANId，啟動(dòng)允許其它設(shè)備加入該網(wǎng)絡(luò).

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立并允許新設(shè)備接入時(shí)，子設(shè)備可以通過兩種方式加入網(wǎng)絡(luò):

(1)利用MAC子層關(guān)聯(lián)接入程序加入網(wǎng)絡(luò);

(2)通過應(yīng)用層預(yù)先指派的父設(shè)備直接加入網(wǎng)絡(luò).

在本實(shí)驗(yàn)中，子設(shè)備選擇關(guān)聯(lián)連接網(wǎng)絡(luò)，這也是新設(shè)備接入zigbee網(wǎng)絡(luò)的主要途徑.子設(shè)備收到關(guān)聯(lián)接入完成后，更新自己的16位短地址和鄰居表，短地址是協(xié)調(diào)器識(shí)別子設(shè)備的重要標(biāo)識(shí).協(xié)調(diào)器設(shè)備和子設(shè)備，都調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層程序，設(shè)備間通過傳輸命令幀實(shí)現(xiàn)任務(wù).

3 無(wú)線組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集單元

本實(shí)驗(yàn)完成溫度數(shù)據(jù)的精確采集，選擇的傳感器為DS18B20單總線溫度傳感器［5］.該傳感器測(cè)量范圍從－55攝氏度到+125攝氏度，增量值為0.0625攝氏度;獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信，具體連接見圖5.

3.2 無(wú)線組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)節(jié)點(diǎn)完成無(wú)線環(huán)境區(qū)域內(nèi)的星型組網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括協(xié)調(diào)器和兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)［5，6］.實(shí)驗(yàn)中，節(jié)點(diǎn)硬件采用相同構(gòu)成，采用Microchip公司開發(fā)的Zigbee實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)MCU采用PIC18F4620，射頻芯片采用CC2420，協(xié)議棧采用該公司對(duì)應(yīng)的軟件程序.終端和星型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能差異由軟件實(shí)現(xiàn)，完成終端采集溫度數(shù)據(jù)而協(xié)調(diào)器收集數(shù)據(jù)的任務(wù)［7］.編寫設(shè)備的應(yīng)用層程序代碼、實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了使用Zigbee協(xié)議組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的過程，通過實(shí)驗(yàn)證明了zigbee協(xié)議棧能夠形成穩(wěn)定可靠的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò).用戶可以根據(jù)使用環(huán)境選配不同的傳感器，并選擇所需的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用環(huán)境不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如覆蓋面積較大可選擇多跳路由方式傳遞數(shù)據(jù)，即將本實(shí)驗(yàn)協(xié)調(diào)器作為協(xié)調(diào)器和路由器繼續(xù)向上級(jí)傳輸數(shù)據(jù).該系統(tǒng)可以應(yīng)用于軍事監(jiān)測(cè)、智能家居、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等等領(lǐng)域，為監(jiān)測(cè)環(huán)境區(qū)域參數(shù)提供了強(qiáng)而有效的方案.

［1］方旭明，何蓉.短距離無(wú)線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:人民郵電出版社，2004.

［2］蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.167－237.

［3］Zigbee Specification［EB/OL］.http://www.Zigbee.com.2006.

［4］Microchip stack for the Zigbee?protocol V1.0－3.6［EB/OL］.http://www.microchip.com.2006.

［5］林麗萍.基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究［D］.復(fù)旦大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［6］李小珉，趙志宏，郭志，等.Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2007，30(6):133－137.

［7］趙文仲，段朝玉.PIC單片機(jī)與Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)戰(zhàn)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［責(zé)任編輯 牛懷崗］

Abstract:A wireless technique is introduced in this paper.Firstly，characteristics of ZIGBEE，device in wireless network and network topology are presented;then，structure of ZIGBEE software stack and mechanism for transmission data are discussed;when formatting wireless network，different states in which endpointand coordinatorwork and course of linking between endpointand coordinator are researched;lately，when experimenton starwireless network formation is done，outcome proofs that ZIGBEE is an effective communication technique for wireless network.

Key words:ZIGBEE;wireless network;software stack;star wireless network

Research on Formatting a W ireless Sensor Network by Zigbee

PENG Yan
(Department of Physics and Electronic Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

TP393

A

1009—5128(2011)02—0042—04

2010—07—05

渭南師范學(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目(10YKZ070)

彭燕(1984—)，女，陜西寶雞人，渭南師范學(xué)院物理與電子工程系教師，碩士.研究方向:智能檢測(cè)及應(yīng)用技術(shù).