基于ZigBee的无线传感器网络

近年来，随着电子技术和网络技术的飞速发展，无线网络始终是一个热门的话题。在智能家庭和工业控制领域，人们迫切希望能够产生出一个无线，短距离，低速，低功耗的网络。为了实现这个目标，国内外的有关研究机构、生产厂商进行了不懈的努力，ZigBee网络层标准和IEEE802.15.4数据链路层标准应运而生。本文的目的就是采用ZigBee技术，构建无线传感器网络。在讨论无线传感器网络之前，有必要首先讨论一下ZigBee和IEEE802.15.4标准。

ZigBee是ZigBee联盟的产物，这个由国际上100多家知名软硬件公司组成的联盟致力于制定一个短距离，低速率，低功耗的无线网络标准，其主要目标市场为楼宇自动化，工业传感器和家庭自动化领域。ZigBee标准于2004年12月获得联盟表决通过。

ZigBee网络由三种节点所组成：协调器，路由器和末端设备。协调器是网络的中心节点，负责网络的组织和维护。路由器负责网络内信息桢的路由，而末端设备则是实现具体功能的单元。根据功能来划分，又分为全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）。协调器和路由器必须为FFD，而末端设备可以是FFD，或者是RFD。

ZigBee网络有三种拓扑形式，分别为：星型网（star），树型网（cluster tree）和网状网（mesh）。星型网和树型网比较简单，这里，只介绍作者采用的网状网。见图1所示。       

使用网状网络的优势在于通讯的可靠性大为增加，因为两个节点之间可以存在多条通讯链路，并且这些链路是动态建立并维护的，通讯不会由于某些中间节点的失效而中断。另外，在使用多跳技术的网状网络中，各节点的通讯功耗可以大大降低，因为通讯距离和通讯功率的平方成正比，这无疑对强调省电的传感器网络极具吸引力。网状网络的缺点在于协议栈复杂，占用MCU资源较多，不易维护。但就目前的软硬件技术水平，这不是一个障碍。

图1：网状网络拓扑结构

ZigBee的物理层和链路层由IEEE所规范，工作在三个频段上：2.4G，868M，915M。通讯速率20kbps~250kbps，在2.4G频段上采用直接序列扩频技术（DSSS），有16个信道可供选择，其它采用BPSK，具有良好的抗干扰性。发射器的最大发射功率为0dbm，接收器的灵敏度在-90dbm以上。空旷地的通讯距离在100米以上。

ZigBee协议栈的组成如图2所示。其中物理层和链路层由IEEE802.15.4规范，网络层，安全层和应用层由ZigBee规范。

     图2：ZigBee协议栈

由于ZigBee规范于2004年底才获得联盟表决通过。2005年6月才向业界公开，所以国外的研究工作正处于起步阶段。在硬件收发器方面，Chipcon的CC2420和Freescale的MC13192的功能最完善，在软件协议栈方面，Figure 8 Wireless，Intergration，Ember，Microchip公司的产品相对稳定，在产品方面，据ZigBee联盟表示，2005年已经有数百种产品付运。另外一些公司致力于ZIGBEE模块的研发，以便使用户在最短的时间内将他们原来的产品提升到ZigBee平台上来。由此看来，国内外基本上处于同一起跑线上，国内企业如果选择正确的技术路线，结合国内的具体情况，在这一新兴领域还是大有机会的。

下面，介绍一下作者基于ZigBee构建的无线传感器网络。搭建这个网络的初衷主要是评估ZigBee网络标准，协议栈稳定性以及通讯性能。进一步的，基于这个平台，可以进行自有协议栈的研发，可以进行相关应用的实现与测试，也可以进行成本分析，为进一步的产品化，商业化打下基础。

（1）      网络结构

        图3：无线传感器网络结构

如图3所示，这是一个典型的网状网络，一个协调器和两个路由器组成了网络的核心节点，由主电源供电，核心节点之间，在无线信号可及的范围内，可以实现动态路由。5个末端设备，分别挂接在3个核心节点之上，由电池供电。

（2）网络建立

ZigBee网络的建立是有序的。每个节点都有唯一的MAC地址，这是通过预编程设定的。首先启动协调器，它将搜索一个空的信道，选定一个PANID，将自身的网络地址设为0。然后启动路由器，它将选择协调器作为父节点加入网络，并得到一个网络地址。最后启动末端设备，它将选择信号最强的协调器或路由器作为父节点加入网络，并得到一个网络地址。而ZigBee有一套地址分配机制保证地址不会重复。

网络一旦建立，拓扑关系和网络地址就会保存在各自节点的FLASH中。

网络建立后，各节点就可以通过各自的网络地址进行通讯了。

（3）路由技术

路由技术可以说是ZigBee网状网络的精华和关键所在。它成功结合了AODV（Ad-hoc On demand Distance Vector）协议，Freeescale的树状路由协议和Ember的GRAd协议，实现了路由发现，路由决策和动态维护。

（4）数据传输

ZigBee支持单播和广播，具有KVP和MSG两种信息桢类型，前者适合固定格式的数据传输，而后者可以适应更灵活的数据结构。

在我们的实验网络中，每个节点上都具备温度，湿度，电池电压测量电路。通过ZigBee的网状网络技术，可以实现任意节点间的双向通讯。路由器和末端设备通过动态路由，将测量值送到中心节点（协调器），中心节点再通过RS232，将数据发到PC机进行显示。末端设备运行在省电模式下，定时唤醒进行数据的收发工作，其余时间则为休眠，这样做可以大大降低功耗，使电池供电成为可能。而数据的暂存是由其父节点完成的。

（5）节点硬件结构

采用Microchip公司生产的PIC18LF4620作为MCU，片上资源丰富，具有64K FLASH ROM，4K RAM，1K EEPROM，SPI接口，10位AD转换器。温度测量部分使用Microchip公司生产的TC77半导体测温芯片，精度可以达到1度。湿度测量部分使用Honeywell公司生产的HIH3610电容式测湿模块，精度可以达到5%。电池电压的测量直接使用MCU的片内AD。数据显示方面使用Truly公司生产的128*64点阵液晶模块。射频收发器部分采用Microchip公司提供的模块，其核心是一颗Chipcon公司生产的CC2420。

（6）协议栈

 ZigBee协议栈的开发非常复杂且耗时巨大，为了在有限时间内实现目标，我们选择了Microchip公司提供的免费协议栈，其源代码是由ANSI C编写的，并且完全开放。在此基础上，我们加入了针对传感器网络的应用层。需要指出的是，由于ZigBee技术尚未成熟，所以各公司提供的协议栈不免带有一定的局限性和不少的BUG。如Microchip当前版本的协议栈就不支持加密，这可以通过后续升级来完善。而BUG的测试和修改则需要开发者自行完成了。

（7）测试结果

在办公楼宇和普通家居的环境下，我们对这个实验网络进行了全面的测试，包括信号强度，通讯速率，误码率，通讯距离，穿障能力等，测试结果另人满意。在大家关心的穿障能力方面，信号穿越水泥障碍物的损失大约在20db左右。在普通家庭条件下，室内的通讯距离大约在30米左右，可以穿越两道水泥墙。对于家庭内的信号死区，可以通过添加路由器来解决。

另外，在办公楼宇内，同时存在有802.11无线局域网，工作频率同为2.4G，在长时间的测试中未见明显的干扰和信息阻塞现象，说明ZigBee网络的共容性较强。

对于协议栈的测试也收到较好的效果，测试中未发现死机，脱网等情况，软件运行非常稳定。

结论：

由于事先阅读了包括标准在内的大量文献资料，并精心选择了技术路线，这个测试网络的搭建是非常顺利和成功的。作者相信：一个网络的标准化程度，是它能够生存、能否被广泛采用的非常关键的一点。谁看出了ZigBee的前景，进而为它的成熟、推广进行了艰苦的工作，谁就将随着ZigBee网络的普及而获得丰厚的利润。

参考资料：

[1] 宋广军，张敬，王睿  基于Web的温湿度远程监控系统。微计算机信息，2004年第1期第29页。　　

[2] IEEE standards association,IEEE802.15.4-2003,

http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html

[3] ZigBee overview, The ZigBee Alliance, www.zigbee.org

[4] “Implementing ZigBee Wireless networking” by Tim Cutler

[5] “Zeroing in on ZigBee” by Peter Cross

[6] AN965 “Microchip Stack for the ZigBee protocol”, www.microchip.com