浅议ZigBee无线传感器网络系统的特点及设计

摘 要：本文就zigbee无线传感网络的特点、设计难点进行了相应的分析，旨在综合自己学习过程中的收获和一些想法。

关键词：无线传感网络（wsn）；传感器；ZigBee；设计

一、概述

（一）WSN简介。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，在工业、农业、军事、环境、医疗，数字家庭，绿色节能，智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值，无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。

（二）Zigbee WSN。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。作为无线传感网的一种最常见的类型，ZigBee wsn是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

二、Zigbee无线传感网络的特点

（1） 低功耗： 由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。（2） 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5―2.5美元， 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。（3） 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms， 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。（4） 网络容量大： 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络， 而且网络组成灵活。（5） 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。（6） 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

三、Zigbee无线传感网络的设计

（一）设计难点。 （1）通讯距离问题，由于一般的ZigBee前端RF部分输出大部分只有0DBM，点对点开阔地带实际通讯距离只有几十米，如果加上环境和阻挡因数，通讯距离还会缩水。（2）ZigBee芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高频率，硬件设计不可能绕开高频设计和调试，需要的高频设备如频谱分析仪等，价格较高，也构成了一定技术门槛。（3）为了实时处理复杂的无线网络管理和路由，ZigBee软件协议栈代码比较复杂，同时涉及比较多的无线技术知识背景，掌握这些无线软件需要比较多的时间，加上协议栈在不断升级，使用的微控制器也在不断变化中，也加长了开发和调试周期。

这些设计难点，很多厂家已经推出了各种比较完整的解决方案：对于ZIGBEE通讯距离的扩展，目前采用外部扩展和内部增加放大器两套办法，TI最近推出的CC2591放大器芯片， CC2591能够和CC2430等ZigBee单芯片完整结合，实现ZIGBEE通讯距离的扩展，点对点通讯距离可以轻易达到600米以上，通过ZigBee自动中继路由，可以实现微功耗下数十公里的无线通信。

随着大量模块化产品的出现，解决了第二个应用难点，这些模块只有大约1平方英寸大小，用电池供电，易于集成到用户系统中。用户从模块入手，完全避免的高频设计和调试的问题，可以将主要精力集中到应用系统设计。另外，目前的模块在出厂时也配备了一套ZigBee串口通讯协议，这套协议将复杂的ZigBee应用，转换为简单的，具有ZigBee网络功能的AT命令集，用户只要会串口编程，无需要深入研究ZigBee协议栈，就可以轻松使用ZigBee技术。这样就解决了第三个主要的技术难点。

（二） ZigBee应用系统设计的层次。 （1）系统集成，在这个层次，主要是要掌握ZigBee技术的应用特征，例如系统可靠性和网络可靠性，通讯距离，抗干扰性能，低功耗性能等，使用标准产品和评估系统进行是比较好的进入点。优点：入门需要的时间短，几个小时或几天。缺点：系统灵活性可能不够，成本稍微高一些。 （2）采用模块和自己的单片机系统组合设计，这要求对单片机技术比较熟悉，当然最好是采用自己熟悉的单片机，主要工作是熟悉ZigBee AT命令集，如何通过AT命令集来操作复杂ZigBee无线网络，由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计，用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发。优点：入门时间是一星期或更短。缺点：需要在模块后面，加上自己的微控制器，成本稍有增加。（3）采用模块或者直接使用ZigBee芯片进行自己的ZigBee应用系统设计。如果不希望进行高频设计，可以从模块开始，直接使用TI等公司提供的

ZigBee协议栈源代码和库文件，自己进行应用代码的编写，然后直接下载到模块进行调试，由于EZ-LBee这样的通用，开放，开源模块的出现，使这种开发办法成为了可能。（4）自己直接采用CC2430/CC2431等芯片，使用ZigBee开发系统，进行设计。优点：可以实现单芯片化设计，最终产品成本最低。缺点：需要对软件和ZigBee协议栈进行消化和分析，也需要高频设计方面的知识和经验，需要的时间可能是数月或更长。

结语：我们进入ZigBee wsn系统设计的难度重心，是尽快掌握无线传感器网络协议栈软件使用，同时尽快进入相关应用软件开发。由于ZigBee芯片厂家推出各种标准产品、模块、开发工具，以及免费ZigBee协议栈等，大大降低了ZigBee技术入门台阶，我们可以方便的根据自己的实际情况，确定设计的层次，轻松开始ZigBee应用系统设计。