基于ZigBee协议栈的无线传感器网络的设计

摘要：首先介绍了无线传感器网络的基本拓扑结构与传感器节点的结构，详细说明了基于ZigBee协议栈的无线传感网络的建立过程，包括协调器启动及建立网络、传感器节点启动及加入网络、传感器节点与协调器之间建立绑定以及传感器节点向协调器发送数据的过程。设计了基于ZigBee协议栈的无线传感网络系统。以采集温度信息为例，协调器能够接收到传感器节点发来的数据，并能通过RS232串口，将收到的数据发送给PC机进行显示。实验显示在距离80m远处，系统仍能保持良好的通信质量。
关键词：ZigBee协议栈；无线传感器网络；协调器；传感器节点

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成多跳、自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
目前能够用于短距离无线传感网络的通信技术主要有5种：Wi-Fi技术、超宽带通信(Ultra Wideband，UWB)技术、近场通信(Near Field Communication，NFC)技术、蓝牙以及ZigBee技术。其中，ZigBee是基于IEEE802．15．4的一种新兴短距离无线通信技术，其特点是低功耗、低速率、低复杂度、低成本等。这些特点决定了ZigBee技术非常适合应用于无线传感网络中，因此ZigBee技术被认为是最有可能应用于工业监控、传感器网络、家庭监控、安全监控等领域的无线技术。在ZigBee协议的制定中，IEEE802．15．4无线标准定义了物理层(Physical Layer，PHY)和介质访问控制层(Medium Access Control Sub-Layer，MAC)，而ZigBee协议栈的网络层和应用层是由ZigBee联盟制定的。
支持ZigBee协议的无线通信芯片主要有TI公司推出的CC2420、CC2430、CC2530以及Freescale半导体公司推出的MC13191、MC13192及MC13 193等芯片。CC2430是世界上首个单芯片ZigBee解决方案，除了保持CC2420所包括的优良射频性能之外，其内部还集成了一个增强型8051内核，这使得CC2430成为市面上最具有竞争力的ZigBee无线收发芯片。
文中设计了基于ZigBee协议栈的无线传感网络，该系统包括一个协调器和四个终端传感节点。以采集温度信息为例，实现了无线通信功能。协调器节点通过RS232串口，将收到的数据发送给PC机进行处理及显示。

1 无线传感网络的结构
1．1 网络体系结构
无线传感网路中的基本单元是传感器节点，根据其在网络中的所承担的任务不同，传感器节点可以分为3类：协调器、路由器和传感器节点。在网络中，协调器负责建立网络，允许路由器和传感器节点与其绑定，并接收路由器和传感器节点发送来的数据信息，以及传送给PC机进行处理、存储等；传感器节点负责感知被测对象的物理信息，并将其无线发射给协调器；但如果传感器节点距离协调器太远，则需要
路由器在中间进行中继。传感网络的拓扑结构一般有3种：星型网络、树型网络和网状网络。
星型拓扑结构具有组网简单、低成本和低功耗等优点，但网络覆盖范围有限；树型网络可以扩大网络覆盖范围，传感器节点传感器所采集的数据可以通过路由器中继的方式到达协调器；网状网络具有高可靠性和覆盖范围大等优点，但功耗大、管理复杂。在实际应用，要根据实际需求来选择网络拓扑结构。
1．2 传感器节点的结构
无线传感网络中的节点按照其所具备的功能来分，可分为全功能设备(Full Funclion Device，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)。网络协调器和路由器必须由FFD来承担，传感器节点一般由RFD来实现。但不管是FFD还是RFD，其硬件的基本结构基本上相同，一般包括传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和能量供应模块4个基本部分，如图1所示。传感器模块用于感知被测对象的物理信息，并将其转换为电信号；微处理器模块负责处理及存储数据；无线通信模块负责发射与接收无线电信息；能量供应模块为整个系统提供能量。此外，传感器节点还可能包括一些辅助单位，如定位模块、自供电模块等。与传感器节点和路由器相比，协调器一般需要和PC机相连，所以其带有RS232接口或USB接口等。