基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

摘要：首先介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本拓撲結(jié)構(gòu)與傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)，詳細說明了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立過程，包括協(xié)調(diào)器啟動及建立網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點啟動及加入網(wǎng)絡(luò)、傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器之間建立綁定以及傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)的過程。設(shè)計了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。以采集溫度信息為例，協(xié)調(diào)器能夠接收到傳感器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并能通過RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行顯示。實驗顯示在距離80m遠處，系統(tǒng)仍能保持良好的通信質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議棧；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器；傳感器節(jié)點

     無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。
    目前能夠用于短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)主要有5種：Wi-Fi技術(shù)、超寬帶通信(Ultra Wideband，UWB)技術(shù)、近場通信(Near Field Communication，NFC)技術(shù)、藍牙以及ZigBee技術(shù)。其中，ZigBee是基于IEEE802．15．4的一種新興短距離無線通信技術(shù)，其特點是低功耗、低速率、低復(fù)雜度、低成本等。這些特點決定了ZigBee技術(shù)非常適合應(yīng)用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，因此ZigBee技術(shù)被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全監(jiān)控等領(lǐng)域的無線技術(shù)。在ZigBee協(xié)議的制定中，IEEE802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(Physical Layer，PHY)和介質(zhì)訪問控制層(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)，而ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層是由ZigBee聯(lián)盟制定的。
    支持ZigBee協(xié)議的無線通信芯片主要有TI公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale半導(dǎo)體公司推出的MC13191、MC13192及MC13 193等芯片。CC2430是世界上首個單芯片ZigBee解決方案，除了保持CC2420所包括的優(yōu)良射頻性能之外，其內(nèi)部還集成了一個增強型8051內(nèi)核，這使得CC2430成為市面上最具有競爭力的ZigBee無線收發(fā)芯片。
    文中設(shè)計了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該系統(tǒng)包括一個協(xié)調(diào)器和四個終端傳感節(jié)點。以采集溫度信息為例，實現(xiàn)了無線通信功能。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行處理及顯示。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
1．1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
    無線傳感網(wǎng)路中的基本單元是傳感器節(jié)點，根據(jù)其在網(wǎng)絡(luò)中的所承擔(dān)的任務(wù)不同，傳感器節(jié)點可以分為3類：協(xié)調(diào)器、路由器和傳感器節(jié)點。在網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器負責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，允許路由器和傳感器節(jié)點與其綁定，并接收路由器和傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，以及傳送給PC機進行處理、存儲等；傳感器節(jié)點負責(zé)感知被測對象的物理信息，并將其無線發(fā)射給協(xié)調(diào)器；但如果傳感器節(jié)點距離協(xié)調(diào)器太遠，則需要
路由器在中間進行中繼。傳感網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)一般有3種：星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。
    星型拓撲結(jié)構(gòu)具有組網(wǎng)簡單、低成本和低功耗等優(yōu)點，但網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限；樹型網(wǎng)絡(luò)可以擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，傳感器節(jié)點傳感器所采集的數(shù)據(jù)可以通過路由器中繼的方式到達協(xié)調(diào)器；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和覆蓋范圍大等優(yōu)點，但功耗大、管理復(fù)雜。在實際應(yīng)用，要根據(jù)實際需求來選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
1．2 傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點按照其所具備的功能來分，可分為全功能設(shè)備(Full Funclion Device，F(xiàn)FD)和精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器必須由FFD來承擔(dān)，傳感器節(jié)點一般由RFD來實現(xiàn)。但不管是FFD還是RFD，其硬件的基本結(jié)構(gòu)基本上相同，一般包括傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4個基本部分，如圖1所示。傳感器模塊用于感知被測對象的物理信息，并將其轉(zhuǎn)換為電信號；微處理器模塊負責(zé)處理及存儲數(shù)據(jù)；無線通信模塊負責(zé)發(fā)射與接收無線電信息；能量供應(yīng)模塊為整個系統(tǒng)提供能量。此外，傳感器節(jié)點還可能包括一些輔助單位，如定位模塊、自供電模塊等。與傳感器節(jié)點和路由器相比，協(xié)調(diào)器一般需要和PC機相連，所以其帶有RS232接口或USB接口等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧是基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，它是由稱為層的模塊組成，每一層為其上一層提供特定的服務(wù)。Zig Bee協(xié)議棧為各個層均分配的不同的任務(wù)編號，每一個任務(wù)中又包含若干個事件。對于開發(fā)者來說，一般只需關(guān)注應(yīng)用層函數(shù)的設(shè)計即可。當(dāng)然，若果硬件電路不同，則其硬件抽象層函數(shù)也是不同的。文中所采用的硬件電路為無線龍公司生產(chǎn)的CC2430無線通信模塊，共包括4個傳感器節(jié)點和一個協(xié)調(diào)器。每個傳感器節(jié)點為一個CC2430基本模塊和一個電池板；協(xié)調(diào)器模塊為一個CC2430基本模塊和一個擴展板，擴展板上帶有RS232串口，可用于和PC機進行通信。
2．1 協(xié)調(diào)器啟動及建立網(wǎng)絡(luò)
    無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來完成的。協(xié)調(diào)器節(jié)點啟動之后，首先完成系統(tǒng)的初始化，然后進入操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)的初始化中，包括初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片電壓、中斷系統(tǒng)、flash存儲器等，其中比較重要的是初始化端口描述符。兩個物理無線收發(fā)模塊的通信是通過兩個設(shè)備中編號相同的端點來實現(xiàn)的，這要求協(xié)調(diào)器所初始化的端點屬性要與在傳感器節(jié)點中所初始化的端點屬性相匹配。
    進入操作系統(tǒng)以后，首先進入的是應(yīng)用層任務(wù)函數(shù)，因為在應(yīng)用中設(shè)置了進入事件。通過按鍵S1來設(shè)置其為協(xié)調(diào)器，并開始建立網(wǎng)絡(luò)。將設(shè)備設(shè)置為協(xié)調(diào)器之后，通過zb_StartRequest()函數(shù)調(diào)用ZDO層初始化設(shè)備函數(shù)ZDOInitDevice()。在該函數(shù)中，通過ZDO層中的網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)ZDApp_NetworhInit()設(shè)置網(wǎng)絡(luò)初始化事件，送給啟動設(shè)備函數(shù)ZDO_StartDevice()處理。在該函數(shù)中，調(diào)用了網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)形成請求函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest()來形成網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee協(xié)議棧是半開源的，因此看不到該函數(shù)的內(nèi)部程序。當(dāng)ZDO層收到網(wǎng)絡(luò)形成確認(rèn)信息之后，則設(shè)置網(wǎng)絡(luò)啟動事件，將設(shè)備的狀態(tài)改為啟動狀態(tài)。協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)的過程如圖2所示。

2．2 傳感器節(jié)點啟動及加入網(wǎng)絡(luò)
    對于傳感器節(jié)點來說，啟動后首先要完成的也是設(shè)備的初始化。在本實驗中，傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送本身的溫度信息，所以在傳感器節(jié)點中所初始化的端口的屬性應(yīng)為輸出，而協(xié)調(diào)器中所定義的端口的屬性應(yīng)為輸入。當(dāng)初始化之后，進入操作系統(tǒng)執(zhí)行應(yīng)用層任務(wù)中的進入事件。這里直接將設(shè)備設(shè)置為傳感器節(jié)點。
    傳感器節(jié)點啟動后，開始初始化網(wǎng)絡(luò)。在ZDO層調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest()，嘗試發(fā)現(xiàn)是否已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)可以加入。當(dāng)發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器所建立的網(wǎng)絡(luò)時，傳感器節(jié)點的ZDO層會收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)信息。這時，傳感器節(jié)點通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)加入請求函數(shù)NLME_JionRequest()，向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求。如果協(xié)調(diào)器允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，則該傳感器節(jié)點會接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的加入確認(rèn)信息。這里的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)函數(shù)NLME_NetworkDiscoveryRequest()和網(wǎng)絡(luò)加入請求函數(shù)NLME_JionRequest()，與協(xié)調(diào)器中所調(diào)用的網(wǎng)絡(luò)形成函數(shù)NLME NetworkFormationReouest()一樣，均為ZigBee協(xié)議棧所封裝起來的函數(shù)，只能由開發(fā)人員編程時調(diào)用，不能看到其內(nèi)部程序。傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的流程如圖3所示。

2．3 傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器的綁定
    為了讓傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器能相互傳送數(shù)據(jù)，兩者之間必須建立綁定關(guān)系。綁定是兩個(或多個)應(yīng)用設(shè)備之間信息傳輸?shù)目刂茩C制，在ZigBee2006及以后的協(xié)議棧中，所有的設(shè)備都必須執(zhí)行綁定機制。
    協(xié)調(diào)器通過執(zhí)行zb_AllowBind()函數(shù)，開啟允許綁定功能。在該函數(shù)中，可以設(shè)置允許綁定的時間，即在某一段時間內(nèi)，協(xié)調(diào)器接收其他設(shè)備發(fā)來的綁定請求，超過這段時間，則關(guān)閉該功能。傳感器節(jié)點通過執(zhí)行綁定設(shè)備函數(shù)zb_BindDevice()，向協(xié)調(diào)器發(fā)送綁定請求。協(xié)調(diào)器接收到傳感器節(jié)點發(fā)送來的綁定請求，并進行解析，綁定請求信息中包含了傳感器節(jié)點中的端點信息，然后協(xié)調(diào)器在自身所注冊過的端點中尋找與之相匹配的端點。找到之后，則處理綁定請求信息，并向傳感器節(jié)點發(fā)送綁定響應(yīng)信息。傳感器節(jié)點接收到綁定響應(yīng)信息之后，通過調(diào)用應(yīng)用支持子層的綁定請求函數(shù)APSME_BindRequest()來建立綁定表，并將向自己的應(yīng)用層發(fā)送綁定確認(rèn)信息。傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立綁定的流程如圖4所示。

2．4 傳感器節(jié)點向協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)
    當(dāng)傳感器節(jié)點向自己的應(yīng)用層發(fā)送綁定確認(rèn)信息之后，就調(diào)用發(fā)送報告函數(shù)myApp_StartReporting()向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)信息。CC2430內(nèi)部有一溫度傳感器，可測量的溫度范圍是-20～80℃，雖然所采集的結(jié)果與實際溫度不太相符合(比實際值偏高)，但對于構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并無太大影響。所以在本實驗中，傳感器節(jié)點所發(fā)送的就是其自身內(nèi)部的溫度信息。由傳感器所得來的溫度信息為模擬信號，需要經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。CC2430內(nèi)部集成了多路A／D轉(zhuǎn)換，這里不再詳述。
    當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到溫度信息之后，對其進行解析，得到溫度信息。通過調(diào)用串口通信程序，將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機進行顯示。串口通信程序的設(shè)計，這里也不再詳述。

3 實驗
    當(dāng)建立綁定關(guān)系之后，傳感器節(jié)點就可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。將協(xié)調(diào)器程序下載到帶有擴展板的CC2430模塊中，然后將傳感器節(jié)點程序分別下載到4個帶有電池板的CC2430模塊中。協(xié)調(diào)器由3節(jié)5號電池供電，并通過RS232串口與PC機相連。在PC機上打開串口調(diào)試工具，并設(shè)置好端口號、傳輸速率及校驗位等。端口號的設(shè)置可通過PC機查看，而傳輸速率及校驗位等與串口通信程序的設(shè)計有關(guān)，這里選擇波特率為384 000，暫時沒有設(shè)置校驗位。每個傳感器節(jié)點均有2節(jié)7號電池供電。
    首先打開帶有擴展板的CC2430電源，按S1鍵將其設(shè)置成為協(xié)調(diào)器。然后再次按下S1鍵，即協(xié)調(diào)器開啟允許綁定功能。此時依次打開4個傳感器節(jié)點，它們會相繼加入網(wǎng)絡(luò)。在實驗中，通過LED的亮滅來觀察網(wǎng)絡(luò)啟動及節(jié)點加入的過程。

    網(wǎng)絡(luò)加入完畢之后，在PC機的串口調(diào)試界面中，能看到協(xié)調(diào)器所接收到得溫度信息，并且協(xié)調(diào)器為4個傳感器節(jié)點分別分配了16位的網(wǎng)絡(luò)地址，如圖5所示。

4 結(jié)論
    本實驗實現(xiàn)了基于ZigBee協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。如果在PC機上采用LabVIEW軟件對串口數(shù)據(jù)進行處理，則可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與報警，以及數(shù)據(jù)的存儲與回調(diào)等功能。