基于ZigBee技术的无线传感器网络研究

摘要：ZigBee技术是目前存在的与无线传感器网络融合最为紧密的新兴低功耗技术。本文分析了ZigBee技术特点及ZigBee多种网络拓扑，研究了ZigBee协议栈的体系结构。以CC2530芯片为基础构建无线传感器的硬件平台。最后重点探讨基于ZigBee技术无线传感器网络的组网过程与应用。

关键词：无线传感器网络 ZigBee技术 IEEE802.15.4协议

中图分类号：TN929.5；TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）11-0000-00

Abstract： ZigBee technology is a new and emerging low power technology which is the most closely integrated with the wireless sensor network. This paper analyzes the characteristics of ZigBee technology and the network topology of ZigBee， and studies the architecture of ZigBee protocol stack， the hardware platform of wireless sensor based on CC2530 chip， and the process and application of wireless sensor network based on ZigBee technology.

Key words： Wireless sensor network；ZigBee；IEEE802.15.4 treaty

1 引言

无线传感器网络（WSN）是一种融合了微电子、嵌入式计算、现代网络及无线通信、分布式信息处理等先进技术的网络，由大量廉价无线传感器组成。并且这种网络不采用基站或交换机作为中转，又常常被人称为Ad-Hoc网络[1]，是一种特殊的多跳移动无线网络。目前用于无线传感器网络的主要网络技术有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、以及IrDA等。其中，ZigBee技术以其组成的无线传感器网络体积小、成本低、功耗低、结构简单、放置灵活、扩展方便、安全可靠[1]等特点成为无线通信应用的首选技术。因此，探讨基于ZigBee技术的无线传感器网络实现方案具有重要的实用价值。

2 ZigBee技术

ZigBee在中国被译为“紫蜂”，其突出特点是支持低成本、低功耗、可靠的数据传输、网络容量大、各层次的安全性、易于实现等。

在ZigBee无线网络中，网络拓扑结构大概有3种类型：星状网络结构、串状网络结构、网状网络结构[2]如图2所示。在这之中，每个节点的功能都不一样，有的充当协调器节点，有的充当路由节点，有的则充当终端节点。

ZigBee协议框架[3]是建立在IEEE802.15.4标准之上的。IEEE802.15.4标准满足国际标准组织开放系统互连参考模式，定义了ZigBee的物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）；ZigBee联盟则定义了协议的网络层（NWK）、应用层（APL）和安全服务规范如图2。这其中ZigBee技术标准包括两个物理层：一个是全球通用的通信信道为16个的2.4GHz频段，其传输速率为250kbps另一个是美国的915MHz和欧洲的868MHz频段频段，信道分别为10个和1个，传输速率分别为40kbps和20kbps。

3 无线传感器网络的构建

本文采用CC2530芯片构建无线传感器网络，CC2530芯片是一款完全兼容8051内核，同时支持IEEE802.15.4协议的2.4GHz无线射频芯片[4]。最大拥有256K可编程FLASH容量，12个10位精度的A/D转换通道，21个双向的I/O端口，由它构成一个微型化的嵌入式系统的无线传感器网络节点，节点硬件组成如图3，可以看出硬件由CC2530芯片上系统收发模块、电源模块、接口模块及传感器模块等。节点的软件包括终端数据采集、实现ZigBee协议栈以及无线通信软件等。

4 ZigBee无线传感器网络的组网过程

在一个ZigBee网络中，只有协调器节点可以建立网络。协调器具有允许设备加入网络和离开网络的功能，并给设备分配内部网络地址，维护邻居表等。建立一个新网络首先是协调器节点的应用层调用NLME-NETWORK-FORMATION.request原语来实现，然后向网络层发出建立网络的请求，网络层收到这个请求之后，便向下层的MAC层发出信道能量扫描的要求，MAC层便调用MLME-SCAN.request原语找到信道能量低于设定能量值的可用信道，然后在可用信道中搜寻ZigBee设备。找到了合适的信道后，便将随机选择一个PAN，它是可以识别一个特定ZigBee网络的标识号，不与原来的冲突，如果没有找到，也通过原语告诉上层结果；如果找到了，就通过原语在MAC层注册这个ID号，作为新建立的无线网络的网络号，并发送MLME-START.request原语，获取PAN ID和信道扫描结果，并通过confirm原语发送给上层。收到PAN开始的状态，NLME将告知应用层它要求的建立网络的状态，这通过NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语来实现[5]。如图4就是协调器建立网络过程图。

ZigBee协调器节点建立网络后，路由节点或终端节点可以加入该网络。加入方式有两种：第一种关联方式，当某设备希望加入网络成为一个子设备时，应用层向网络层发送一个NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语。然后网络层再向MAC层发送服务请求开始信道扫描。根据扫描网络的结果，选择一个网络加入。向网络层发NLME-JOIN.request原语。MAC层发送MLME-ASSCIATE.confirm原语向网络层报告连接情况。另外一种连接方式是子设备以直接方式加入网络。这种情况，网络协调器事先已保存了子设备的64位扩展地址。开始加入网络时，网络层的上层向网络层发送一个叫NLME-DIRECT-JOIN.request原语，这个原语中包含了一个64位的扩展地址，网络层接收到这个原语，就会检查自己的邻居表，是否在邻居表中发现与这个64位地址相匹配的值。如果发现，网络层管理实体就会禁止这个原语。如果没有找到与这个64位地址相匹配的值，网络层将本网络内的唯一的16位短地址分配给这个子设备。

5 结语

基于ZigBee技术的无线传感器网络成本低、功耗低、性能高。本文所采用的基于CC2530无线传感网络系统设计方案不失为一种较为高效、节能、抗干扰能力强的廉价组网方案。像例如环境的监测和保护、医疗护理、目标跟踪、工农业的数据采集等等，基于ZigBee技术的无线传感器网络将得到越来越多的关注与应用。

参考文献

[1]刘瑞霞，李春杰，郭 强.基于ZigBee 网状网络的分簇路由协议[J].计算机工程，2009，35（3）：161-163，181.

[2]施承.基于ZigBcc协议的无线传感器网络关键技术的研究和实现[D].东南大学硕士论文，2006.

[3]张维勇，冯琳，魏振春.ZigBee实现家庭组网技术的研究叨.合肥工业大学学报，2005，28（7）：75 5-759.

[4]Anon.What is ZigBee？[J]PACE-Prooess and Control Engineering.2006，59（2）：28.

[5]李文仲 等.ZigBee 无线网络技术入门与实战. 北京航空航天大学出版社，2007.