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利用ZigBee技术构建无线传感器网络

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图 ,% &’’’()$! *+! , 的 - 种网络结构
这样无线传感器网络可以大致组成 - 种基本的拓 扑结构! * ） 基于星型的拓扑结构， 它具有天然的分布 式处理能力， 星型中的路由节点就是分布式处理中心， 即它具有路由功能， 也有一定的数据处理和融合的能 力， 每个终端无线传感器节点都把数据传给其所在拓 扑的路由节点， 在路由节点完成数据简单、 有效的融 合， 然后对处理后的数据进行转发! 考虑到路由节点的 功能和通讯的频率相对终端传感器节点较多， 一般其 功耗也较大， 所以其电源容量也较终端传感器节点电 源的容量大， 可考虑为大容量电池或太阳能电源! $ ） 基于孔状的拓扑结构， 这种结构无线传感器网络连成 一张网， 网络非常健壮， 伸缩性好， 在个别链路和传感 器节点发生失效时， 不会引起网络分立! 可以同时通过 多条路由通道传输数据， 传输可靠性非常高! - ）基于 树型的拓扑结构， 在这种结构下传感器节点被串联在 一条或多条链上， 链尾与终端传感器节点相连! 这种方 案在中间节点失效的情况下， 会使其某些终端节点失 去连接! “ 燃气表数据无线传输系统” 项目中采用的星型 拓扑结构， 主要因为其结构简单， 实现方便， 不需要大 量的协调器节点， 降低了成本! 每个终端无线传感器节 点为每家的气表 （ 平时无线通讯模块为掉电方式， 通 过路由 节 点 来 激 活） ， 手持式接受机为移动的路由 节点!
议是免专利费的& !） 时延短& 针对时延敏感的应用做了优化， 通信 时延和从休眠状态激活的时延都非常短& 设备搜索时 延典型值为 %* :;， 休眠激活时延典型值是 #, :;， 活 动设备信道接入时延为 #, :;& ,） 网络容量大& 一个 123<55 网 络 可 以 容 纳 最 多 +,! 个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存 在最多 #** 个 123<55 网络& 6） 安全& 123<55 提供了数据完整性检查和鉴权功 能， 加密算法采用 8)/ = #+’ ， 同时各个应用可以灵活 确定其安全属性& 由于无线传感器网络本身要求节点密集、 节能、 方 便路由等技术特点， 可以看出应用 123<55 技术作无线 传感器节点的无线通讯是可能的&
!
收稿日期： "##$ D #G D #% 作者简介： 王! 东 （ C*$* D ） ， 男， 江苏南京人， 重庆大学博士研究生， 主要研究方向为无线传感器网络、 机器学习等
"6
重庆大学学报 （ 自然科学版） 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 +**6 年
利用 H5(I88 ห้องสมุดไป่ตู้术构建无线传感器网络
王! 东，张 金 荣，魏! 延，曹 长 修，唐! 政
!
（ C 重庆大学 自动化学院， J###G# ； " 深圳市大族激光科技股份有限公司，深圳 EC%#EK ）
摘! 要： 通 过 对 新 型、 开 放 的 无 线 互 联 技 术 H5(I88 技 术 的 分 析； 结 合 传 感 器 技 术、 H5(I88、 L@@@CJEC) " 技术、 路由协议， 构建了一种无线传感器网络) 分析讨论了基于 “ 燃气表数据无线传输系 统” 的无线传感器结构和无线传感器网络的实现) 关键词： H5(I88 技术； L@@@ %#") CE) J ； 无线传感器网络 ! ! 中图分类号： MNG*K 文献标识码： & ! ! 随着 O@O> 技术和无线通讯技术、 传感器技术的 发展， 无线传感器网络在军事、 生产、 生活、 医疗、 科研 中有了更广泛的应用范围) 就其功能而言， 可以把它分 成智能传感器部分和无线通讯部分) 智能传感器部分 可根据具体情况由不同的硬件组成， 同时 L@@@ 组织 提出了 L@@@CJEC) " 的智能传感器接口协议) 无线通 讯部 分 实 现 的 方 法， 不 外 乎 利 用 已 有 的 L@@@ %#") CCP、 L@@@%#") CE) C （ 蓝牙） 、 L@@@%#") CE) J （ H5(I88 ） 等 无线通讯技术； 其中 L@@@%#") CCP 相对于其它 " 个标 准来说， 主要用于海量数据、 高带宽传输， 但不太适合 传感器数据的传输) H5(I88 和蓝牙相比最大的不同在 于： C ）极低的功耗， 使用寿命和整个传感器一样长， 无 需更换电池； "） 灵活的组网方式， 可直接组成各种网 络拓扑形式； G ）传感器器件不和网络通信时， 处于休 眠状态， 通信前须将其唤醒) 所以 H5(I88 是一种低成 本、 低功耗、 低复杂度的无线技术， H5(I88 技术相对于 蓝牙更适合构建无线传感器网络)
［ +］ 无线通讯模块， 其主要特点如下 ： 支持多达 !* 个网
图 %0 无线传感器控制和通迅模块
的能源消耗& 在无线传输中数据结构的表示是一个关键的部 分， 它往往可以决定设备的主要使用性能； 在这里把它 设计成以下结构： 数据头 命令字 数据长度 数据 9J9 数据头： % <LI5; 固定为： “ 888888” & 命令字： # <LI5 具体的命令& （ *# = 发送数据； *+ = 接受数据； *% = 进入休眠； *! = 唤醒休眠） 数据长度： # <LI5 为后面 “ 数据” 长度的字节数& 数据： * P +* <LI5; 为具体的有效数据& 9J9 校检： + <LI5; 是从命令字到数据的所有数据
! "##$ 年 % 月 第 "* 卷第 % 期
重庆大学学报 （ 自然科学版） +,’-./0 ,1 23,.(45.( 6.578-95:; （ <=:’-=0 >?58.?8 @A5:5,.）
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! ! 文章编号： C### D E%"F （ "##$ ） #% D ##*E D #G
图 C! H5(I88 的体系结构
数据速率低成本的双向无线通信技术， 主要适合于自 动控制和远程控制领域， 可以嵌入各种设备中， 同时支 持地理定位功能) H5(I88 的 NRS 层中接取方式是采用 直接序列扩展频率技术 （ T5-8?: >84’8.?8 >U-8/A >U8?V :-’W） ， 它存在如下优点： C） 扩频信号具有好的隐蔽性) 扩频信号的频谱被扩散到很宽的频带内， 相对而言， 其 功率谱密度也随之降低 （ 可明显低于环境噪声和干扰 电平） ， 难以检测， 因而扩频信号具有隐蔽性) " ）扩频 信号具有保密性) 扩频信号受特定伪随机序列控制， 接 受者如不能按此伪随机序列的规律进行解扩， 就不能 恢复消耗中传送的信息， 因而扩频信号具有保密性)
整个网络的建立是随机的、 临时的； 当手持接收机 在小区里移动时， 通过发出激活命令来激活所有能激 活的节点， 来临时的建立一个星型的网络； 其网络建立
［ - . ,］ 及数据流的传输过程如以下流程 ：
*） 路由节点发出激活命令； $） 终端无线传感器节点被激活； -） 在每个终端无线传感器节点分别延长不同随 机数倍的固定时间段后， 节点通知路由节点自 己 被 激活； ,） 路由节点建立激活终端无线传感器节点表； +） 路由节点通过此表对激活节点进行点名通讯， 直到表中的节点数据全部下载完成； /） 重复 * ）0 + ） ， 直到小区中所有终端节点数据下 载完成! 这样当一个移动接收机在小区里移动时， 可以通 过动态地组网把小区里用户燃气信息下载到接收机 中， 再将接受机中的数据拿到处理中心去集中处理! 通 过以上步骤建立的通讯， 在小区实际无线抄表中得到 了很好的应用!
C! H5(I88 技术及其优势
C) C! H5(I88 技术概述 H5(I88 N-,:,?,0 >:/?Q 体系结构如图 C 所示
［ C］
， 它
G ）扩频信号具有很强的抗干扰性) J ） 提高系统容量) 在扩频系统中， 由于使用多个伪随机序列作为不同用 户的地址码， 这样可以共用一个频段来实现码分多址， 这样可以共用一个频段来实现码分多址通讯) 同 时 L@@@%#") CE) J 协议中定义了 " 种器件： 全功能器件 和简化功能器件 （ YXT） ) 对全功能器件， 要求它 （ XXT）
第 $7 卷第 ( 期% % % % % % % % % % 王% 东， 等： % 利用 123455 技术构建无线传感器网络
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进行校检! 在完整接受到以上格式的数据后， 通过 "#" 校检 来完成对数据是否正确进行判读， 这在无线通讯中是 十分必要的! $! $% 无线传感器网络的构建 &’’’()$! *+! , 提供了 - 种有效的网络结构 （树型、 孔型、 星型） 和 - 种器件工作模式 （ 协调器、 全功能模 式、 简化功能模式） ， 如图 + 所示! 简化功能模式只能 作为终端无线传感器节点， 全功能模式既可以作为终 端传感器节点， 也可以作为路由节点， 协调器只能作为 路由节点!
络节点的链接方式； %** 7FG 到 # *** 7FG 的无线收 发器； 高效率发射、 高灵敏度接受； 多达 H6& ’ E42I $ ; 的 无线数据速率； ())) ’*+& #,& ! 标准兼容产品； 内置高 性能微处理器； 具有 + 个 C8J. 接口； #* 42I、 +% K 采样 率 8>9 接口； 微功耗待机模式， 这样为无线传感器网 络中降低功率损耗提供了一种灵活的电源管理方案& 存储 芯 片 选 用 有 6! K <LI5; 的 存 储 空 间 的 8.)7A 公 司 +!9,#+ ))@JM7 芯 片； 按一户需要 ’<N.)/ 的信息量计算， 可以存储 ’ *** 多个用户的海 量信息， 对一个小区完全够用& 所有芯片选用 %& % O 的低压芯片， 可以降低设备

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基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用

基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用


图 ４ Ｚｇ ｅ 无线局域 网络 节点 内部结构 ｉｂ ｅ
节点应 用部分装 置根 据监 控不同位 置 （ 比如温度 、声 音 、振 动、压力 、运动或污染物 ）起不 同的作用。通常这 些装置很小很便 宜 ，可 以大量 制造 和部 署 ．因此它们 的资 源 （ 能源、存储 、计算速度和带宽 ）严 重受限 。每个节点
对通信加密 。
图 ３混合型的 Ｚｇ３ｅ ｉｔ 组网 ｃ
应用层 ：应用支持层维持器件的功能属性 发现该器
件工作空间 中其他器件 的工作 ．根据服 务和需求使 多个器 件之 间进行通信 ，根据 具体 应用 由用户开发 。
三 、基 于 Ｚ ｇ ｅ 术 的 ｉＢｅ 技 无 线 传 感 器 网络 构 建
列扩频 １ 使用相 同的物理层数据 包格式 ． 区别在于工作频 率 调 制技术 扩频码片长度和传输速率 ９ ５８ ８ １／６ ＭＨｚ 频
段是基于 差分 编码 的二进制相移键控 （ Ｐ Ｋｌ 而 ２ ＧＨ Ｂ Ｓ ４ ｚ
频段采 用的是 ｌ ６进制正变调制 ２４ Ｈ ．Ｇ ｚ波段总共有 １ 个 ６ 不同的信道 为全球 统一的无需申请的 ＩＭ 频段 Ｓ 采用高阶 从而更加省 调制技术能 够提供 ２ ０ ｂｓ ５ ｋ ／的传输速率 有助于获得更高的 吞吐量 更小的通信时延和更短 的工作周期 美国的 Ｉ Ｍ 频段有 １ Ｓ ０个信道
～
图 ２ Ｚ ｇ ｅ 协 议 栈 ｉＢ ｅ
１０ （ 外 ） ５ｍ 室 。
媒体接入控制层 ：遵循Ｉ， Ｓ２ ５ 协议 ．负责设 Ｆ ， ０ ． Ｆ Ｆ １４ 备间无线数据链路的建立、 维护和结束 ． 确认模式的数
据传送和接收 ． 可选时隙． 实现低延迟传输 ． 支持各种
网络拓扑结构 网络中每个设备 为 １ 位地址寻址 。 ６ 网络层 ：建立新的网络 处理节点的进入和离开 网络 根据 网络类型设置节点 的协议堆栈 ．使网络协 调器对节点分配地址 ，保证节点之 间的 同步 提供网 络的路 由 保证 数据 的完 整性 使用可选的 ＡＥ 一２ Ｓ１８
基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用

基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用

Ｉ Ｅ Ｓ２ １ ． Ｅ Ｅ ０ ．５ ４的 Ｍ Ｃ层服 务 。 Ａ
ＩＥ Ｓ２ １． Ｅ Ｅ０ ．５ ４定 义 了 两 个 物 理 层 标 准 ， 别 是 ２ ４ Ｈ 物 理 层 和 ８８９５ ｚ 分 ．Ｇ ｚ ６ ／ １ＭＨ
５ ・ ６
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葛万成
ＩＥ Ｓ２ １ ． 满 足 国 际 标 准 组 织 Ｅ Ｅ０ ． ５ ４ （Ｓ ） ＩＯ 开放系统互连（ Ｓ） 考模 式 。它定 Ｏ Ｉ参 义 了单 一 的 Ｍ Ｃ层 和 多样 的物 理层 Ｐ Ｙ Ａ Ｈ
（ 图 １。 见 ）
Ｚ ｌ ｌ ｏ ｉ ； ｌ 『ｋ ｔ ｌ
、
引 言
图 １ ＩＥ ０ ． ５ ４协议架构 Ｅ Ｅ８ ２ １ ． Ｉ Ｅ ８２ １ ． Ｅ Ｅ ０ ．５ ４的 Ｍ Ｃ层 能 支持 多 种 Ａ
Ｌ Ｃ标准 ， 过 Ｓ Ｃ （ 务 相 关 的 会 聚 子 Ｌ 通 ＳＳ 业 层） 协议承 载 ＩＥ Ｓ２ ２类 型 １的 Ｌ Ｃ标 Ｅ Ｅ０ ． Ｌ
物理 层 。它 们 都 基 于 Ｄ Ｓ （ 接 序 列 扩 ＳＳ 直 频 ） 使 用 相 同的物 理层 数 据包 格 式 ， ， 区别
在于工作频 率 、 调制 技术 、 扩频码 片长度 和 传输 速 率 。９ ５ ８ ８ Ｈ １ ／ ６ Ｍ ｚ频 段 是 基 于差 分 编码 的二进制 相移键控 （ Ｐ Ｋ ， ２ ４ Ｈ Ｂ Ｓ ） 而 ．Ｇ ｚ 频段采 用 的是 １ ６进 制 正 交调 制 。２ ４ Ｈ ．Ｇ ｚ
避免 了 ２ ４ Ｈ 附 近各 种 无 线 通 信设 备 的 ．Ｇ ｚ
相互 干扰 。８ ８ Ｈ ６ Ｍ ｚ的传输 速 率 为 ２ ｋ／ ， ０ｂ ｓ
９６ ｚ ４ ｋ／ 。这 两 个 频 段 上 无 线 信 １ＭＨ 是 ０ ｂｓ 号传播损耗 较小 ， 因此可 以降低 对接 收机灵 敏度 的要求 ， 得 较远 的有 效通 信 距 离 ， 获 从
基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计.

基于ZigBee技术的无线传感器网络节点的设计.

0引言目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也较高，不适于短距离无线通信。

ZigBee 技术的出现就弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，大大减少资源的浪费，且有很大的发展前景。

ZigBee 技术是在IEEE 802.15.4协议标准的基础上扩展起来的，是一种短距离、低功耗、低传输速率的无线通信技术。

该技术主要针对低速率传感器网络而提出，能够满足小型化、低成本设备的无线联网要求，可广泛应用于工业、农业和日常生活中。

ZigBee 无线网络根据应用的需要可以组织成星型网络、网状网络和簇状网络三中拓扑结构。

ZigBee 网络有两种类型的多点接入机制。

在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，任何时候都允许所有节点发送。

在使能信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。

协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。

在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。

超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。

1无线传感器网络节点硬件设计本文采用集成MCU+射频收发模块的SOC 设计方式，这种组合方式的兼容性与芯片之间的数据传输可靠性强，而且能实现节点的更微小化和极低的功耗。

1.1无线传感器网络节点组成无线传感器网络节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源管理模块组成，如图1所示。

数据采集单元用来采集区域的信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度及大气压力等；数据处理单元控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理和任务管理等；数据传输单元用于与其他节点进行无线通信、交换控制消息及收发采集数据；电源管理单元选通所用到的传感器。

1.2CC2430模块本文采用CC2430芯片为核心来设计传感器节点。

CC2430芯片是挪威Chipcon 公司推出的符合IEEE 802.15.4标准ZigBee 协议的Soc 解决方案。

Zigbee无线传感器组网技术及其应用

Zigbee无线传感器组网技术及其应用

总第172期2008年第10期舰船电子工程Ship Electronic Enginee ring Vol.28No.1032　Zi gbee 无线传感器组网技术及其应用3王　妍1)　沈国华2)(海军指挥学院1)　南京　210016)(解放军91180部队2)　旅顺　116041)摘　要　Z igbee 技术是一种新型的无线传感技术,就其的网络特点展开介绍,通过对网络容量,网络组网形式等方面论述,给出星型网络在无线电表抄表系统的应用。

关键词　Z igbee ;星型网络;无线电表中图分类号　TM933Zigbee Wireless Sensor Net work Tech nology a nd App licat ionW ang Ya n 1)　Shen Guohua 2)(Na val Comma nd Acadamy 1),Nanjing 210016)(No.91180Troop s of PLA 2),Lvshun 116041)Abs tra ct Z igbee is a new wir eless se nsor tec hnology.This paper introduces Zigbee πs netwo rk cha racter.And partic u 2la rly disc usses it πs network capacity ,netwo rk f orm.It provides t he application of the asteroid network in wirele ss a mmeter syste m.Ke y w ords Zigbee ,asteroid networ k ,wirele ss ammeter Class N umber TM9331　引言近距离无线通信技术的发展,解决了有线线缆带来的不便,特别是在遥测遥感、工业自动控制、家用电器等领域有较大的应用前景。