1 Zigbee 技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)
1.1 Zigbee 技術(shù)概述
Zigbee ProtocoI Stack 體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要有5 層體系組成。 由Zigbee 聯(lián)盟與IEEE 802. 15.4 的任務(wù)小組來(lái)共同擔(dān)任標(biāo)準(zhǔn)的制定。 其中物理層、MAC 層標(biāo)準(zhǔn)主要由IEEE802. 15. 4 的任務(wù)小組完成。
而數(shù)據(jù)鏈路接層，以及傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)層、還有與用戶(hù)的接口是由Zigbee 聯(lián)盟主導(dǎo)。
圖1 Zigbee 的體系結(jié)構(gòu)。
Zigbee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。 Zigbee 的PHY 層中接取方式是采用直接序列擴(kuò)展頻率技術(shù)（Direct Seguence Spread Spectrum），它存在如下優(yōu)點(diǎn)：1）擴(kuò)頻信號(hào)具有好的隱蔽性。擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜被擴(kuò)散到很寬的頻帶內(nèi)，相對(duì)而言，其功率譜密度也隨之降低（可明顯低于環(huán)境噪聲和干擾電平），難以檢測(cè)，因而擴(kuò)頻信號(hào)具有隱蔽性。 2）擴(kuò)頻信號(hào)具有保密性。 擴(kuò)頻信號(hào)受特定偽隨機(jī)序列控制，接受者如不能按此偽隨機(jī)序列的規(guī)律進(jìn)行解擴(kuò)，就不能恢復(fù)消耗中傳送的信息，因而擴(kuò)頻信號(hào)具有保密性。3）擴(kuò)頻信號(hào)具有很強(qiáng)的抗干擾性。 4）提高系統(tǒng)容量。
在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于使用多個(gè)偽隨機(jī)序列作為不同用戶(hù)的地址碼，這樣可以共用一個(gè)頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)碼分多址，這樣可以共用一個(gè)頻段來(lái)實(shí)現(xiàn)碼分多址通訊。 同時(shí)IEEE802. l5. 4 協(xié)議中定義了2 種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。 對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49 個(gè)基本參數(shù)，僅為藍(lán)牙的1 / 3. 而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持3S 個(gè)基本參數(shù)。 一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通訊，有3 種工作方式，即用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。 而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話(huà)，僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。 IEEES02. 15. 4 協(xié)議提供了3種數(shù)據(jù)傳輸方式：直接數(shù)據(jù)傳輸、間接數(shù)據(jù)傳輸、有保證時(shí)隙（GTS）數(shù)據(jù)傳輸。
1. 2 Zigbee 技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)
1）省電。 由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式，Zigbee 技術(shù)可以確保2 節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6 個(gè)月到2 年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同的應(yīng)用功耗是不同的。
2）可靠。 采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。
3）成本低。 模塊的初始成本估計(jì)在6 美元左右，很快就能降到1. 5 美元到2. 5 美元之間，且Zigbee 協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的。
4）時(shí)延短。 針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15 ms.
5）網(wǎng)絡(luò)容量大。 一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100 個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。
6）安全。 ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES - 12S，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)本身要求節(jié)點(diǎn)密集、節(jié)能、方便路由等技術(shù)特點(diǎn)，可以看出應(yīng)用ZigBee 技術(shù)作無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通訊是可能的。
2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)
2. 1 無(wú)線(xiàn)傳感器的構(gòu)建
通過(guò)上述的描述，利用ZigBee 技術(shù)和IEEE1451. 2協(xié)議來(lái)構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)傳感器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示：
圖2 無(wú)線(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)圖
STIM 部分包括傳感器、放大濾波電路、A/ D 轉(zhuǎn)換；TII 部分主要由控制單元組成；NCAP 負(fù)責(zé)通訊。“燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)燃?xì)獗韨鞲衅鞯脑O(shè)計(jì)（如圖3 所示）：STIM 選用“CG - L - J2. 5 / 4D型號(hào)”的燃?xì)獗�；TII 選用ATMEL 公司的S0C51，S 位CPU;NCAP 選用赫立訊公司IP·Link 1000 - B 無(wú)線(xiàn)模塊。 在此方案中，燃?xì)獗淼臄?shù)據(jù)為已經(jīng)處理好的數(shù)據(jù)。 由于燃?xì)獗頂?shù)據(jù)為一個(gè)月抄一次，所以在設(shè)計(jì)的過(guò)程中不用沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性問(wèn)題。 IP·Link 1000- B 模塊為赫立訊公司為ZigBee 技術(shù)而開(kāi)發(fā)的一款無(wú)線(xiàn)通訊模塊，其主要特點(diǎn)如下：支持多達(dá)40 個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的鏈接方式；300 MHZ 到1 000 MHZ 的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器；高效率發(fā)射、高靈敏度接受；多達(dá)76. S kbit / s 的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)速率；IEEE S02. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)兼容產(chǎn)品；內(nèi)置高性能微處理器；具有2 個(gè)UART 接口；10 bit、23 K 采樣率ADC 接口；微功耗待機(jī)模式，這樣為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中降低功率損耗提供了一種靈活的電源管理方案。
圖3 無(wú)線(xiàn)傳感器控制和通迅模塊
存儲(chǔ)芯片選用有64 K Bytes 的存儲(chǔ)空間的ATEML 公司24C512 EEPROM 芯片；按一戶(hù)需要SBYTES 的信息量計(jì)算，可以存儲(chǔ)S 000 多個(gè)用戶(hù)的海量信息，對(duì)一個(gè)小區(qū)完全夠用。
所有芯片選用3. 3 V 的低壓芯片，可以降低設(shè)備的能源消耗。
在無(wú)線(xiàn)傳輸中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的表示是一個(gè)關(guān)鍵的部分，它往往可以決定設(shè)備的主要使用性能；在這里把它設(shè)計(jì)成以下結(jié)構(gòu)：
數(shù)據(jù)頭：3 Bytes 固定為：“AAAAAA”。
命令字：1 Byte 具體的命令。
（01 - 發(fā)送數(shù)據(jù)；02 - 接受數(shù)據(jù)；03 - 進(jìn)入休眠；04 - 喚醒休眠）數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：1 Byte 為后面“數(shù)據(jù)”長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)。
數(shù)據(jù)：0 ~ 20 Bytes 為具體的有效數(shù)據(jù)。
CRC 校檢：2 Bytes 是從命令字到數(shù)據(jù)的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行校檢。
在完整接受到以上格式的數(shù)據(jù)后，通過(guò)CRC 校檢來(lái)完成對(duì)數(shù)據(jù)是否正確進(jìn)行判讀，這在無(wú)線(xiàn)通訊中是十分必要的。
2. 2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
IEEE802. 15. 4 提供了3 種有效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（樹(shù)型、孔型、星型）和3 種器件工作模式（ 協(xié)調(diào)器、全功能模式、簡(jiǎn)化功能模式），如圖5 所示。 簡(jiǎn)化功能模式只能作為終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，全功能模式既可以作為終端傳感器節(jié)點(diǎn)，也可以作為路由節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器只能作為路由節(jié)點(diǎn)。
圖4 IEEE802. 15. 4 的3 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
這樣無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)可以大致組成3 種基本的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 1）基于星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它具有天然的分布式處理能力，星型中的路由節(jié)點(diǎn)就是分布式處理中心，即它具有路由功能，也有一定的數(shù)據(jù)處理和融合的能力，每個(gè)終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)都把數(shù)據(jù)傳給其所在拓?fù)涞穆酚晒?jié)點(diǎn)，在路由節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單、有效的融合，然后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 考慮到路由節(jié)點(diǎn)的功能和通訊的頻率相對(duì)終端傳感器節(jié)點(diǎn)較多，一般其功耗也較大，所以其電源容量也較終端傳感器節(jié)點(diǎn)電源的容量大，可考慮為大容量電池或太陽(yáng)能電源。 2）基于孔狀的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一張網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)非常健壯，伸縮性好，在個(gè)別鏈路和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)生失效時(shí)，不會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)分立。 可以同時(shí)通過(guò)多條路由通道傳輸數(shù)據(jù)，傳輸可靠性非常高。 3）基于樹(shù)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這種結(jié)構(gòu)下傳感器節(jié)點(diǎn)被串聯(lián)在一條或多條鏈上，鏈尾與終端傳感器節(jié)點(diǎn)相連。 這種方案在中間節(jié)點(diǎn)失效的情況下，會(huì)使其某些終端節(jié)點(diǎn)失去連接。
“燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目中采用的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，不需要大量的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，降低了成本。 每個(gè)終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)為每家的氣表（ 平時(shí)無(wú)線(xiàn)通訊模塊為掉電方式，通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)來(lái)激活），手持式接受機(jī)為移動(dòng)的路由節(jié)點(diǎn)。
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立是隨機(jī)的、臨時(shí)的；當(dāng)手持接收機(jī)在小區(qū)里移動(dòng)時(shí)，通過(guò)發(fā)出激活命令來(lái)激活所有能激活的節(jié)點(diǎn)，來(lái)臨時(shí)的建立一個(gè)星型的網(wǎng)絡(luò)；其網(wǎng)絡(luò)建立及數(shù)據(jù)流的傳輸過(guò)程如以下流程：
1）路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出激活命令；2）終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)被激活；3）在每個(gè)終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)分別延長(zhǎng)不同隨機(jī)數(shù)倍的固定時(shí)間段后，節(jié)點(diǎn)通知路由節(jié)點(diǎn)自己被激活；4）路由節(jié)點(diǎn)建立激活終端無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)表；5）路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)此表對(duì)激活節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)名通訊，直到表中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)全部下載完成；6）重復(fù)1）~ 5），直到小區(qū)中所有終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)下載完成。
這樣當(dāng)一個(gè)移動(dòng)接收機(jī)在小區(qū)里移動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)動(dòng)態(tài)地組網(wǎng)把小區(qū)里用戶(hù)燃?xì)?a class="channel_keylink" href="/search.asp">信息下載到接收機(jī)中，再將接受機(jī)中的數(shù)據(jù)拿到處理中心去集中處理。 通過(guò)以上步驟建立的通訊，在小區(qū)實(shí)際無(wú)線(xiàn)抄表中得到了很好的應(yīng)用。
3 結(jié)束語(yǔ)
“燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)”項(xiàng)目情況中，對(duì)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，數(shù)據(jù)也沒(méi)做任何的處理，只是簡(jiǎn)單的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。 而實(shí)際在軍事應(yīng)用中，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的情況就復(fù)雜的多。 例如，空投一批無(wú)線(xiàn)傳感器到敵方陣地，希望組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)定期或不定期的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就必須考慮以下問(wèn)題［5 - 6］：1）在終端傳感器數(shù)目確定的情況下，怎樣確定路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)必要的服務(wù)質(zhì)量；以及在明確路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)目后，如何考慮終端傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率；2）網(wǎng)絡(luò)的路由如何確定才能使得網(wǎng)絡(luò)通訊最優(yōu)和電源管理最優(yōu)；3）網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如何選擇；4）數(shù)據(jù)的融合策略是什么；5）終端傳感器節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題；6）網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的定位等等。 這些問(wèn)題都值得在下一步工作中做進(jìn)一步的研究。
在“燃?xì)獗頂?shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)”中，應(yīng)用Zigbee 技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并利用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，為構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)上提出了一個(gè)好的解決方法。 國(guó)外已經(jīng)有了這方面的應(yīng)用。 可以預(yù)見(jiàn)隨著微電子技術(shù)、Zigbee 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電源技術(shù)的發(fā)展，傳感器與Zigbee 技術(shù)的融合將進(jìn)一步緊密。
