基于ZigBee協議棧的無線傳感器網絡的設計

摘要：首先介紹了無線傳感器網絡的基本拓撲結構與傳感器節點的結構，詳細說明了基于ZigBee協議棧的無線傳感網絡的建立過程，包括協調器啟動及建立網絡、傳感器節點啟動及加入網絡、傳感器節點與協調器之間建立綁定以及傳感器節點向協調器發送數據的過程。設計了基于ZigBee協議棧的無線傳感網絡系統。以采集溫度信息為例，協調器能夠接收到傳感器節點發來的數據，并能通過RS232串口，將收到的數據發送給PC機進行顯示。實驗顯示在距離80m遠處，系統仍能保持良好的通信質量。
關鍵詞：ZigBee協議棧；無線傳感器網絡；協調器；傳感器節點

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監測區域內大量廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成多跳、自組織網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。
目前能夠用于短距離無線傳感網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絡中，因此ZigBee技術被認為是最有可能應用于工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全監控等領域的無線技術。在ZigBee協議的制定中，IEEE802．15．4無線標準定義了物理層(Physical Layer，PHY)和介質訪問控制層(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)，而ZigBee協議棧的網絡層和應用層是由ZigBee聯盟制定的。
支持ZigBee協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所包括的優良射頻性能之外，其內部還集成了一個增強型8051內核，這使得CC2430成為市面上最具有競爭力的ZigBee無線收發芯片。
文中設計了基于ZigBee協議棧的無線傳感網絡，該系統包括一個協調器和四個終端傳感節點。以采集溫度信息為例，實現了無線通信功能。協調器節點通過RS232串口，將收到的數據發送給PC機進行處理及顯示。

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