??? 摘 要： 分析了Zigbee無線傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡的特點和關鍵技術，采用模塊化的方法實現了Zigbee協議棧" title="協議棧">協議棧，設計了Zigbee無線傳感器網絡平臺，并且進行了溫度監測的實驗。結果表明，該平臺實現了Zigbee無線傳感器網絡的基本功能，可以更好地開發Zigbee技術。
??? 關鍵詞： 無線傳感器網絡平臺? Zigbee? CC2430? 協議棧

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??? 無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統，具有低成本、低功耗" title="低功耗">低功耗、低數據速率、自組織網絡等特點。而Zigbee技術是為低速率傳感器和控制網絡設計的標準無線網絡協議棧，是最適合無線傳感器網絡的標準。Zigbee無線傳感器網絡是基于Zigbee技術的無線傳感器網絡。在許多行業有巨大的應用潛力，如環境監控、物流管理、醫療監控、交通管理和軍事偵察等方面的應用^[1-2]。
??? 目前普遍使用的無線傳感器網絡平臺主要有Crossbow公司的Mica2/MicaZ和Microchip公司的PICDEMZ等。MicaZ雖然具有Tinyos操作系統，但是沒有結合Zigbee技術；PICDEMZ的Zigbee協議棧不完全符合Zigbee的定義，而且功能簡單。因此，設計一種Zigbee無線傳感器網絡平臺，可以更好地開發無線傳感器網絡的應用和Zigbee技術。
??? 本文在分析Zigbee無線傳感器網絡的特點和關鍵技術的基礎上，提出Zigbee無線傳感器網絡平臺的設計實現方案，采用模塊化的方法實現了Zigbee協議棧，并且使用該無線傳感器網絡平臺進行了溫度監測的實驗。結果表明，該平臺實現了Zigbee無線傳感器網絡的基本功能，可以更好地開發Zigbee技術。
1 Zigbee無線傳感器網絡
1.1 無線傳感器網絡
??? 一個典型的無線傳感器網絡至少要由無線傳感器節點" title="傳感器節點">傳感器節點、網絡協調器" title="協調器">協調器和中央控制點組成。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過自組織方式形成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到網絡協調器，最后到達中央控制點。在這個過程中，傳感器節點既充當感知節點，又充當轉發數據的路由器，用戶通過中央控制點對無線傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務以及收集監測數據^[3]。圖1給出了一個典型的無線傳感器網絡的結構。

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1.2 Zigbee技術
??? Zigbee技術是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術。完整的Zigbee協議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和應用層組成。其物理層和介質訪問控制層協議為IEEE802.15.4協議標準^[4]，網絡層和安全層由Zigbee聯盟制定，應用層的開發應根據用戶自己的需要，對其進行開發利用^[1，5]。
??? 在無線通信技術上，采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。
??? Zigbee設備為低功耗設備，其發射輸出功率為0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據這些檢測結果，設備可以自動調整發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最低限度地消耗設備能量。
??? 在組網性能上，Zigbee可以構造為星形網絡或者點對點對等網絡。在每一個Zigbee組成的無線網絡中，連接地址碼分為16bit短地址碼或者64bit長地址碼，具有較大的網絡容量。
2 Zigbee無線傳感器網絡平臺的硬件設計
2.1 設計目標
??? Zigbee無線傳感器網絡平臺在各種應用系統中存在一些現實的約束^[3,6]：
??? (1)外形盡量小。芯片的尺寸決定了整個節點的尺寸。
??? (2)集成度盡量高。各種傳感器節點通常需要程序存儲器、靜態存儲器、A/D轉換器、定時器和計數器等多種硬件資源。特別是要有足夠大的ROM空間存儲Zigbee協議棧。
??? (3)功耗低而且支持休眠模式。是否具有休眠機制直接關系到節點生命周期的長短，所以芯片必須支持低功耗的休眠狀態。
??? (4)運行速度盡量快。系統應在最短時間內完成工作，從而快速進入休眠狀態，以節省系統能源。
??? (5)工作在免費的ISM（Industial Scientific Medical）頻段，2.4GHz它是免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為250Kb/s。
?? ?(6)成本要盡量低。芯片在傳感器節點成本中占很大的比例。
2.2 基于CC2430的硬件設計
??? 目前，常見的Zigbee無線傳感器平臺都是由一個8位或16位的單片機和Zigbee射頻芯片組成。隨著芯片設計的發展，目前出現了無線單片機，即將處理器模塊和射頻模塊集成在同一個芯片中。Ti-Chipcon公司的CC2430就是其中的代表，其典型應用如圖2所示。

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??? CC2430集成了Zigbee 射頻前端、ROM和8051微控制器在一個芯片內，而且大小僅為7mm×7mm，這樣就使得設備集成度高、外圍器件很少、外形很小;在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA，并且支持四種休眠機制，可以大大地降低功耗；CC2430工作在2.4GHz的免費頻段，而且芯片價格僅為5美元左右，使用成本很低。所以CC2430很符合Zigbee無線傳感器網絡平臺的設計要求^[2]。
3 Zigbee無線傳感器網絡平臺的軟件設計
3.1 軟件結構
??? Zigbee無線傳感器網絡設備上的軟件主要由嵌入式操作系統、Zigbee協議棧和應用程序組成，嵌入式操作系統內核提供了簡單高效的任務調動、中斷處理和時間隊列管理等，還包括所有硬件的底層驅動。應用程序包括串口通信、射頻通信和信號強度檢測等。采用模塊化的設計協議棧，使得整個系統層次清楚、擴展性好、有利于Zigbee技術的二次開發。
3.2 協議棧設計
??? Zigbee協議棧能夠確保無線設備在低成本、低功耗和低速率網絡中的互操作性。Zigbee協議棧的不同層通過服務接入點進行通信，大多數層有兩個接口：數據實體接口和管理實體接口。數據實體接口的目標是向上層提供所需的常規數據服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制^[1]。其基本結構如表1所示。

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??? PHY層由射頻收發器以及底層的控制模塊組成，定義了物理無線信道和MAC層之間的接口。主要功能是啟動和關閉無線收發器、能量監測、鏈路質量監測、信道選擇、清除信道評估以及通過物理介質對數據包進行發送和接收。
??? MAC 層為高層訪問物理信道提供了點到點通信的服務接口，具體功能是信標管理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求。此外，MAC層還為應用合適的安全機制提供了一些方法。
??? 網絡層主要用于建立和維護網絡連接。它獨立處理傳入數據的請求、關聯、解除關聯和孤立通知請求。
應用層主要為Zigbee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對Zigbee技術進行開發應用。
??? 由于Zigbee技術已經定義了物理層、介質鏈路層和網絡層的標準規范，因此這三層的實現通常是類似的。無線傳感器網絡的不同應用都是由基本應用組成，如加入網絡、脫離網絡、發送數據等。本文使用IAR Embedded Workbench for 8051軟件編寫了本網絡平臺的物理層、介質鏈路層和網絡層程序代碼，其中每層的頭文件定義了該層所支持的服務與應用程序接口。同時該平臺還提供了一些應用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等，用戶可以通過調用這些函數來實現自己的開發與應用。
3.3 代碼示例
??? Zigbee無線傳感器網絡協調器在進行一些初始化之后，調用aplFormNetwork（）來建立網絡。協調器通過掃描一個空信道來建立一個新的網絡，然后選擇一個隨機的PAN ID并開始監聽此信道。同時協調器還有一個目前連接設備的列表，以支持其他設備加入網絡。
??? main( ) {
?? ?halInit( );??????????????????????????????//硬件初始化

??? aplInit( ); ???????????????????????????? // 初始化協議棧模塊
?? ?ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( );????????????? //打開全局中斷
??? aplFormNetwork( ); ????????????????? ??? //建立網絡
??? while(apsBusy( )) {apsFSM( );}?????????? //等待網絡建立成功
??? while(1) {apsFSM( );}??????????????????? //運行協議棧
??? }
??? 同樣，Zigbee路由器和終端設備通過aplJoinNetwork（）加入協調器建立的網絡中。終端設備掃描信道找到協調器并申請加入網絡，獲取協調器的地址，同時將本設備的地址發送給協調器。網絡加入成功后，終端設備則進入休眠狀態，直到有數據發送時才被喚醒。
??? main( ) {
??? halInit( );???????????????????????????????//硬件初始化
??? aplInit( );???????????????????????????????//初始化協議棧模塊
??? ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( );???????????????//打開全局中斷
??? do {
????aplJoinNetwork( );????????????????????????//加入網絡
????while(apsBusy)( )){apsFSM( );}????????????//等待加入網絡成功
　? }while (aplGetStatus( ) !=LRWPAN_SUCCESS);
??? while(1) {apsFSM( );}????????????????????? //運行協議棧
??? }
4 應用
??? Zigbee無線傳感器網絡是具有低成本、低功耗、低速率的短距離的無線通信網，在實際應用中，通常應滿足以下條件：設備成本低、體積??；使用一次性電池；通信覆蓋范圍大、傳輸的數據量很小。使用該無線傳感器網絡平臺方便地利用Zigbee技術開發應用。下面重點介紹基于該平臺的溫度監測的實驗。
??? 無線溫度監測系統由多個獨立的終端節點、一個網絡協調器和一臺PC機組成星形網絡。其中，傳感器節點分布于需要檢測的區域，負責對數據的感知和處理，并通過無線射頻信號發射出去；協調器接收各個傳感器節點發出的無線射頻信號，通過RS-232的串口線送入PC主機；PC主機負責存儲及對數據的進一步處理。
?? 只要在該平臺的基礎上設計應用層的程序就能實現無線溫度監測，無需設計物理層、MAC層和網絡層的代碼。每隔10秒進行一次溫度采集，兩次溫度采集期間節點進入休眠狀態，以減少功耗。某一時刻對節點1加熱，從圖3可以看出，在60秒左右時，采集的數據明顯地增大。而節點2在時刻采集環境溫度，可以看出，采集到的數據基本為一直線。實驗結果表明，該溫度監控可以很好地實現功能，而且具有低功耗、低速率的特點，布置起來擺脫了線纜的限制。

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??? 本文使用CC2430芯片設計并實現了Zigbee無線傳感器網絡平臺，以低成本、低功耗等為目標設計終端節點，采用模塊化的方法設計了Zigbee協議棧，使得該平臺具有通用性和易開發性，解決了從系統設計到產品設計中的典型問題，加快了Zigbee無線傳感器網絡的開發和應用。
參考文獻
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