Zigbee无线传感器网络平台的设计与实现

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等特点。而Zigbee技术是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈，是最适合无线传感器网络的标准。Zigbee无线传感器网络是基于Zigbee技术的无线传感器网络。在许多行业有巨大的应用潜力，如环境监控、物流管理、医疗监控、交通管理和军事侦察等方面的应用[1-2]。
    目前普遍使用的无线传感器网络平台主要有Crossbow公司的Mica2/MicaZ和Microchip公司的PICDEMZ等。MicaZ虽然具有Tinyos操作系统，但是没有结合Zigbee技术；PICDEMZ的Zigbee协议栈不完全符合Zigbee的定义，而且功能简单。因此，设计一种Zigbee无线传感器网络平台，可以更好地开发无线传感器网络的应用和Zigbee技术。
    本文在分析Zigbee无线传感器网络的特点和关键技术的基础上，提出Zigbee无线传感器网络平台的设计实现方案，采用模块化的方法实现了Zigbee协议栈，并且使用该无线传感器网络平台进行了温度监测的实验。结果表明，该平台实现了Zigbee无线传感器网络的基本功能，可以更好地开发Zigbee技术。

1 Zigbee无线传感器网络
1.1 无线传感器网络
    一个典型的无线传感器网络至少要由无线传感器节点、网络协调器和中央控制点组成。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式形成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到网络协调器，最后到达中央控制点。在这个过程中，传感器节点既充当感知节点，又充当转发数据的路由器，用户通过中央控制点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据[3]。图1给出了一个典型的无线传感器网络的结构。

                    

1.2 Zigbee技术
    Zigbee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术。完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层组成。其物理层和介质访问控制层协议为IEEE802.15.4协议标准[4]，网络层和安全层由Zigbee联盟制定，应用层的开发应根据用户自己的需要，对其进行开发利用[1，5]。
    在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。
    Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出功率为0～3.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最低限度地消耗设备能量。
    在组网性能上，Zigbee可以构造为星形网络或者点对点对等网络。在每一个Zigbee组成的无线网络中，连接地址码分为16bit短地址码或者64bit长地址码，具有较大的网络容量。
2 Zigbee无线传感器网络平台的硬件设计
2.1 设计目标
    Zigbee无线传感器网络平台在各种应用系统中存在一些现实的约束[3,6]：
    (1)外形尽量小。芯片的尺寸决定了整个节点的尺寸。
    (2)集成度尽量高。各种传感器节点通常需要程序存储器、静态存储器、A/D转换器、定时器和计数器等多种硬件资源。特别是要有足够大的ROM空间存储Zigbee协议栈。
    (3)功耗低而且支持休眠模式。是否具有休眠机制直接关系到节点生命周期的长短，所以芯片必须支持低功耗的休眠状态。
    (4)运行速度尽量快。系统应在最短时间内完成工作，从而快速进入休眠状态，以节省系统能源。
    (5)工作在免费的ISM（Industial Scientific Medical）频段，2.4GHz它是免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为250Kb/s。
    (6)成本要尽量低。芯片在传感器节点成本中占很大的比例。
2.2 基于CC2430的硬件设计
    目前，常见的Zigbee无线传感器平台都是由一个8位或16位的单片机和Zigbee射频芯片组成。随着芯片设计的发展，目前出现了无线单片机，即将处理器模块和射频模块集成在同一个芯片中。Ti-Chipcon公司的CC2430就是其中的代表，其典型应用如图2所示。

                    

    CC2430集成了Zigbee 射频前端、ROM和8051微控制器在一个芯片内，而且大小仅为7mm×7mm，这样就使得设备集成度高、外围器件很少、外形很小;在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA，并且支持四种休眠机制，可以大大地降低功耗；CC2430工作在2.4GHz的免费频段，而且芯片价格仅为5美元左右，使用成本很低。所以CC2430很符合Zigbee无线传感器网络平台的设计要求[2]。
3 Zigbee无线传感器网络平台的软件设计
3.1 软件结构
    Zigbee无线传感器网络设备上的软件主要由嵌入式操作系统、Zigbee协议栈和应用程序组成，嵌入式操作系统内核提供了简单高效的任务调动、中断处理和时间队列管理等，还包括所有硬件的底层驱动。应用程序包括串口通信、射频通信和信号强度检测等。采用模块化的设计协议栈，使得整个系统层次清楚、扩展性好、有利于Zigbee技术的二次开发。
3.2 协议栈设计
    Zigbee协议栈能够确保无线设备在低成本、低功耗和低速率网络中的互操作性。Zigbee协议栈的不同层通过服务接入点进行通信，大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制[1]。其基本结构如表1所示。

                    

    PHY层由射频收发器以及底层的控制模块组成，定义了物理无线信道和MAC层之间的接口。主要功能是启动和关闭无线收发器、能量监测、链路质量监测、信道选择、清除信道评估以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。
    MAC 层为高层访问物理信道提供了点到点通信的服务接口，具体功能是信标管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求。此外，MAC层还为应用合适的安全机制提供了一些方法。
    网络层主要用于建立和维护网络连接。它独立处理传入数据的请求、关联、解除关联和孤立通知请求。
应用层主要为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对Zigbee技术进行开发应用。
    由于Zigbee技术已经定义了物理层、介质链路层和网络层的标准规范，因此这三层的实现通常是类似的。无线传感器网络的不同应用都是由基本应用组成，如加入网络、脱离网络、发送数据等。本文使用IAR Embedded Workbench for 8051软件编写了本网络平台的物理层、介质链路层和网络层程序代码，其中每层的头文件定义了该层所支持的服务与应用程序接口。同时该平台还提供了一些应用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等，用户可以通过调用这些函数来实现自己的开发与应用。
3.3 代码示例
    Zigbee无线传感器网络协调器在进行一些初始化之后，调用aplFormNetwork（）来建立网络。协调器通过扫描一个空信道来建立一个新的网络，然后选择一个随机的PAN ID并开始监听此信道。同时协调器还有一个目前连接设备的列表，以支持其他设备加入网络。
    main( ) {
    halInit( );                              //硬件初始化

    aplInit( );                              // 初始化协议栈模块
    ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( );              //打开全局中断
    aplFormNetwork( );                       //建立网络
    while(apsBusy( )) {apsFSM( );}           //等待网络建立成功
    while(1) {apsFSM( );}                    //运行协议栈
    }
    同样，Zigbee路由器和终端设备通过aplJoinNetwork（）加入协调器建立的网络中。终端设备扫描信道找到协调器并申请加入网络，获取协调器的地址，同时将本设备的地址发送给协调器。网络加入成功后，终端设备则进入休眠状态，直到有数据发送时才被唤醒。
    main( ) {
    halInit( );                               //硬件初始化
    aplInit( );                               //初始化协议栈模块
    ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( );               //打开全局中断
    do {
    aplJoinNetwork( );                        //加入网络
    while(apsBusy)( )){apsFSM( );}            //等待加入网络成功
　  }while (aplGetStatus( ) !=LRWPAN_SUCCESS);
    while(1) {apsFSM( );}                      //运行协议栈
    }
4 应用
    Zigbee无线传感器网络是具有低成本、低功耗、低速率的短距离的无线通信网，在实际应用中，通常应满足以下条件：设备成本低、体积小；使用一次性电池；通信覆盖范围大、传输的数据量很小。使用该无线传感器网络平台方便地利用Zigbee技术开发应用。下面重点介绍基于该平台的温度监测的实验。
    无线温度监测系统由多个独立的终端节点、一个网络协调器和一台PC机组成星形网络。其中，传感器节点分布于需要检测的区域，负责对数据的感知和处理，并通过无线射频信号发射出去；协调器接收各个传感器节点发出的无线射频信号，通过RS-232的串口线送入PC主机；PC主机负责存储及对数据的进一步处理。
   只要在该平台的基础上设计应用层的程序就能实现无线温度监测，无需设计物理层、MAC层和网络层的代码。每隔10秒进行一次温度采集，两次温度采集期间节点进入休眠状态，以减少功耗。某一时刻对节点1加热，从图3可以看出，在60秒左右时，采集的数据明显地增大。而节点2在时刻采集环境温度，可以看出，采集到的数据基本为一直线。实验结果表明，该温度监控可以很好地实现功能，而且具有低功耗、低速率的特点，布置起来摆脱了线缆的限制。

                

   
    本文使用CC2430芯片设计并实现了Zigbee无线传感器网络平台，以低成本、低功耗等为目标设计终端节点，采用模块化的方法设计了Zigbee协议栈，使得该平台具有通用性和易开发性，解决了从系统设计到产品设计中的典型问题，加快了Zigbee无线传感器网络的开发和应用。