基于ZigBee技術的無線傳感器網絡構建與應用

    由于大部分的節點只需要有數據傳輸的功能，不需要有控制能力，ZigBee技術將節點從器件上分為3類(見圖3)：

    a)RFD(簡化功能器件)。RFD內存小，功耗低，在網絡中作為源節點，只發送與接收信號，并不起轉發器／路由器的作用。

    b)FFD(全功能器件)。在網絡中，FFD是具有轉發與路由能力的節點，擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，并且處理控制能力也相應得增強。

    c)網絡主機或網關。ZigBee還支持第3種節點，即網絡主機或網關節點，起到與外部系統接口或協調與其他網絡的路由作用。FFD有時起網關的作用。

    一個網絡只需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統資源僅約為4kB，因此網絡的整體成本比較低。

    通常，底層FFD和RFD將由MCU(微控制器)控制，該MCU通過隊列QSPI(串行外設接口)與ZigBee收發器相連。MCU的選擇取決于該設備是否作為一個其下仍轄有ZigBee網絡層的FFD�；�礎的RFD通常由一個8位MCU控制，但對FFD來說，根據其復雜程度及所連接的網絡，其控制單元可以是8位、16位或低端的32位MCU。
　　
　　PAN協調器負責協調整個網絡以及與中央控制點的通信，所以它是構建一個ZigBee網絡的關鍵所在。對PAN協調器的關鍵要求包括：
　　
　　a)在更大更復雜的系統(如一個制造場所)，其中央控制點很可能超出ZigBee網絡的覆蓋范圍，甚至可能被安放在另一幢建筑中。所以，PAN協調器可能需通過有線連接與中央控制點進行通信。因為以太網在工業市場的應用越來越普及，所以在大多數場合，以太網是最可能的選擇。系統中以太網的應用為網絡設計帶來兩個潛在影響：一是要考慮處理以太網接口所需的處理器帶寬；二是為驅動以太網接口，網絡將需要相應的底層驅動程序和協議棧，這就增加了系統內PAN控制器對程序存儲器的需求。
　　
　　b)驅動整個PAN網絡的通信。因為一個大的PAN網絡將使通信量增加，所以PAN協調器需要更高的帶寬。
　　
　　c)標記整個ZigBeePAN。PAN協調器必須存儲整個網絡的“地圖”，并識別網絡內哪些節點是FFD或RFD以及各部分的功能。對復雜的大型工業系統來說，為存儲這樣一張圖將需要更多的存儲器。

    d)具備與網絡中的新節點建立動態鏈接的能力。在大型系統的使用周期中，系統可能需要添加新節點。PAN協調器必須能容易地與這些新節點建立連接，無論它們在網絡中的任何一點，也無論它們是FFD還是RFD。此外，PAN協調器要能確定這些新節點在網絡中的職責。為使PAN協調器有效地履行這種任務，它需要更大的小地程序存儲器，因而也必須具備訪問這些存儲器的能力。

    一個基于ZigBee的WPAN(無線個域網)能支持高達254個節點，外加一個全功能器件，即可實現雙向通信完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4kB或者作為Hub或路由器的協調器的32kB。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。

    3、基于ZigSee芯片構建無線傳感器網

    基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網是由一組ZigBee節點以AdHoc方式構成的無線網絡，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息，并發布給觀察者傳感器、感知對象和觀察者，它們是傳感器網絡的3個基本要素；傳感器與觀察者之間的通信方式是無線，用于存傳感器與觀察者之間建立通信路徑；協作地感知、采集、處理、發布感知信息是傳感器網絡的基本功能。一組功能有限的傳感器協作地完成大的感知任務是傳感器網絡的重要特點，傳感器網絡中的部分或全部節點可以移動，傳感器網絡的拓撲結構也會隨著節點的移動而不斷地動態變化。節點問以AdHoc方式進行通信。每個節點都可以充當路由器的角色，并且每個節點都具備動態搜索、定位和恢復連接的能力。

     基于ZigBee芯片構建的無線傳感器網可以利用GSM(全球移動通信系統)網絡、CDMA(碼分多址)網絡、以太網等來實現數據的傳輸與控制(見圖5)，網絡可以采用星形或者混合型拓撲和需求時喚醒ZigBee模塊的通信方式，有效降低每個ZigBee傳感器節點的功耗，減少傳感器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率。

    中央控制中心通過網絡與多個匯節點連接，匯節點和傳感器節點之間通過ZigBee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點；控制中心通過網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。分布在傳感器網絡中的匯節點主要用于接收傳感器節點的數據上報，并將其進行融合處理，傳給無線通信數據傳輸模塊，通過網絡傳遞給中央信息控制中心。ZigBee模塊與MCU之間的連接是通過異步串行口實現的，它們之間的通信速度為38.4kB／s，MCU控制通信模塊完成匯節點和中央控制中心的通信，由于傳感器網絡中分布著多個匯節點，因此16位MCU要利用軟件中斷實現對不同ID匯節點上傳數據輪詢掃描，使匯節點的數據可以有序、完整地通過MCU處理后傳出。匯節點在此傳感器網絡中充當的是傳感器節點和網絡之間的網關。

    近來旭昂成功開發出一種ZigBee轉以太網模塊，這種模塊主要是利用ZigBee無線傳感器網絡采集來的信息通過TCP／IP協議上傳到互聯網上，無論你身處世界的那個角落，都可以通過ZigBee轉以太網模塊實時進行遠程監控。也可以通過GSM網絡，采用Sie-mens公司TC35模塊作為數據傳輸終端，可以快速、可靠地實現傳感器網絡中數據的傳輸。利用MSP430MCU控制TC35模塊完成匯節點和中央控制中心的通信。

    4、結束語

    無線傳感器網絡與ZigBee技術的結合有著廣泛的應用前景。本文主要探討了基于ZigBee技術的無線傳感器網絡構建與應用。根據ZigBee協議提出Zig-Bee無線傳感器網絡節點結構，探討經由GSM網絡、CDMA網絡或者以太網在更大的范圍內通過ZigBee無線傳感器網絡達到對信息的控制和采集。這種方式在現實中具有很強的應用性。在不遠的將來，將有越來越多的內置式ZigBee功能的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。<