基于ZigBee协议的无线传感器网络研究

ＣＱ４３０包含一个增强型工业标准的８位８０５１微
控制器内核，运行时钟３２ＭＨｚ［引。包含一个ＤＭＡ控
万方数据
・１９４・
计算机技术与发展
第１９卷
图２为软件总体结构。 Ｉ
Ｚ－Ｓｔｎｅｋ
Ｉ
数测试、加密解密测试、写ＦＩｎｉＳＨ测试、直接存储测
应用
试、电源模式测试、时钟中断测试和外部中断测试。在 这其中，射频部分测试是最为重要的部分。表１是实 际硬件测试的数据列表。 表１测试数据列表
部Ｆｌａｓｈ编程。Ｉ内控制器的职
责是对２１个通用Ｉ／Ｏ口的灵活
图ｌ
系统硬件结构图
分配和可靠控制。 射频模块包含０（２４３０及其基本外围电路，包括 供电、时钟、串行总线和天线，在将程序烧人其内部 ＲＯＭ以后就可以实现各种功能。 射频模块的ＰＣＢ布局使用两层板。射频电路的 元件面以ＣＣ２４３０为中心．各元器件紧靠其周围。尽可 能减少分布参数的影响。为了保证元件充分接地，大 量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。射频 电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽 可能地靠近ＣＣ２４３０，使用微带走线来达到阻抗匹配。 在射频模块上的天线选用的是单极天线，实际项 目中使用的是ＧＩＧＡ ＡＮＴ的２．４ＧＨｚ的天线。
ｓｈｏｒｔ—ｒａｎｇｅ，ｋｌｗ—ｐｏｗｅｒｗｉｒｅｌｅｓｓ骶ｎ．
ｐｒｉｃｅ
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ｐｒｏｂｌｅｍ．ｂｕｔ １３１ｕｅｔｏｏｔｈ—ｅｎａｂｌｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ
ａ
ｉｓ
ｔ∞ｈｎｉｃａｌ ａｎｄ ｍａｒｋｅｔｉｎｇ．ｇｉｇＢｅｅ ｉｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｏｓａｌｓ
ｔｅｓｔｓ
ｍ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ瓢∞∞ｒ ｎｅｔｗＤｒｋ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｌａｓｔ，ｇｉｖｅｓ
ｔｈｅ ｔｅＳｔＳ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄ瞄ｉ印ｐｒｏｐｏｓａｌ． ｃｈｉｐ
ｐｍｌｘ一．
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第２１（９１０舞９豁５期 年月
计算机技术与发展
ＣＯＭＰＵＴＥＲ ＴＥＣＨＮ（）［．（ＩＧＹ ＡＮＩ）ＤＥＶＥＩ．ＯＰＭＥＮＴ
ｖ（，１．１９
Ｍａｙ
Ｎｏ．５ ２００９
基于ＺｉｇＢｅｅ协议的无线传感器网络研究
刘子京，裴文江
（东南大学信息科学与工程学院，江苏南京２１００９６）
摘要：长期以来，业界一直想要建立一种低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯标准。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的出现一定程度上 解决了这一问题，但是具有Ｒｔｍｔａｏｔｈ功能的传输模块售价一直居高不下，严重影响了其技术的普及和推广。ｚｉｇＢｃｅ是一 种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术 提案，主要用于近距离无线连接。结合传感器技术，通过使用ＣＨＩＰＣＯＮ公司最新的０２２４３０的射频ＳｏＣ芯片介绍了Ｚｉｇ． Ｂｅｅ协议的无线传感器网络系统的开发与应用，并给出了一个实际系统的软硬件设计方案。最后对该设计方案进行测试， 给出测试结果，证明了该方案的可行性。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ；无线传感网络；射频芯片
Ｓｎｉｆｆｅｒ工具软件实现一台Ｚｉｇ，Ｂｅｅ数据协议分析
仪的功能。
—Ｓｔａｃｋ运行在一个吣ＡＩ．（操作系统抽象层）操作系
统上。该操作系统基于任务调度机制，通过对任务的 事件触发来实现任务调度。每个任务都包含若干个事 件，每个事件都对应一 个事件号。当一个事件 产生时，对应任务的事 件就被设置为相应的事 件号。这样，事件调度 就会调用相应的任务处
芯片［３】。
Ｚｉｅ，Ｂｅｅ系统软件的开发是在厂商提供的Ｚｉｇｌ３ｅｅ协 议栈【５】的基础上进行的，这涉及与传感器的配合以及 网络架构等方面的问题。 ＺｉｇＢｅｅ协议栈分为有偿和无偿两种。目前世界上 最大的两家ＺｉｇＢｅｅ芯片提供商ＴＩ和Ｆｒｅｅｓｃｌｅ都推出 了符合各自生产的ＺｉｇＢｅｅ芯片的协议栈【引。比起 Ｆｒｅｅｓｃｌｅ价格不菲的ｚｉｅ，Ｂｅｅ协议栈——ＳⅡ眦（单独购 买的话约需１０００美元），ＴＩ提供的ＺｉｇＢｅｅ协议栈—— Ｚ—Ｓｔａｃｋ在２００７年中已经全部免费公开。这样便大大 降低了开发的成本和难度。如此采用ＴＩ的ＺｉｇＢｅｅ解 决方案便有了很好的性价比。Ｚ—Ｓｔａｃｋ在ＴＩ的官方 网站Ｍ硼ｒ．ｔｉ．ＯＯＩＴＩ上可以下载。
４结束语
通过对基于Ｚｉｅ，Ｂ篦协议的无线传感器网络技术 的研究［８１，给出了系统中的核心模块射频模块的实现 方案，并将该模块应用到了Ｚｉｇｎ瞠／ＷＡＰ协议的无线 网络化远程图像监控设备项目中，最后给出了系统测 试结果，从而验证了该模块设计的可行性。
参考文献： ［１】ＳｏｈｒａｂｉＫ．Ｃ，ｍ Ｊ，ＡｉｌａｗａｄｈｉＶ，ｅｌ：ａ１．Ｐｔｍｏｃｏｌｓｆｏｒｗ．１ｆ—ｏｆ帮一
收稻日期：２００８—０９—０４ 基金项目：国家８６３计划项目（２００７ＡＡＩＩＺ２１０） 作者简介：刘子京（１９８４一），男．江苏镇江人．硕士研究生．主要从事
来的几年里将在工业控制、工业无线定位、家庭网络、 汽车自动化、楼字自动化．消费电子、医用设备控制等 多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和 工业控制，将成为今后ＺｉｇＢｅｅ的主要应用领域。
ｔａ．ｉ越ｔｉｏｎ ｏｆ
ａ
理程序。眦中的任
务可以通过任务ＡＰＩ将 其添加到系统中，这样 就可以实现多任务机 程如图３所示。
ｗｉｒｅｉ嘲３明科ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ／ＯＬ］．ＩＥＥＥ
Ｐｅｒｓｏｍｌ
Ｃｏｍｍｔｍｉｅｎｔｉｏｍｓ，２∞Ｏ，７（５）：１６—２７．ＳＩＰ．Ｔｏｏｌｋｉｔ一３—０．
Ｐｒｏｇｒ蝴一Ｇｕｉｄｅ．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｒａｄｖｉｓｉｏｎ．∞ｍ．２０日３．
－‘吖哪ｒ凼：Ｚ４；Ｂ∞；谢圯ｌ荡ｓ ５ｅｒ断ｎｅｔｗｏｒｋ；ＲＦ
Ｏ引
言
１
ＺｉｇＢｅｅ技术简介
ＺｉｇＢｅｅ技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低
长期以来，业界一直想要建立一种低价、低传输 事、短距离、低功率的无线通讯标准。Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的出 现，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者 雀跃不已，但是具有Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ功能的传输模块售价一 直居高不下。严重影响了这些厂商的使用热情及其技 术的普及和推广。因此迫切需要一种符合传感器网络 的并且低端的、面向控制的、应用简单的专用标准， ＺｉｇＢｅｅ技术应运而生…。ＺｉｇｅＩｅｅ虽然作为一种新兴技 术，但由于其自身的诸多优点而广受关注并有着极为 广阔的应用前景。
ｆ娜００ｍｉｎｇ，ｌｏｗ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ。１０ｗ—ｐａ岍，ｌｏｗ ｄａｔａ
ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｒｒｌａｒｌ【ｃｆ ｔｅｅｈｎｏｈｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ ｔｅｃｈ－
ｒａｔｅ，ｂｗ—ｏｏ吐ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｉｔ ｉｓ
ｎｏｌｏ盯。ａｎｄ
ｉｔ ｉｓ
约１００ｍ
除了地点、天线等因素对测试结果有很大影响外， 在室外测试中天气情况对测试结果也有影响，晴天时 的测试结果要好于雨天时的。 软件测试是将插上带有射频控制模块的监控设备 通过ＵＳＢ接口连接到ＰＣ后，配合使用Ｔｌ提供的
Ｐａｃｋｅｔ
硬件平台
图２软件总体结构
Ｚ—Ｓｔａｃｋ中将硬件的驱动放在了硬件抽象层 （ＨＡＬ）中。这样便可将软件编程从具体的硬件细节中 分离开来。使用时可以对ＨＡＬ中驱动函数进行适当 的裁剪以适应实际开发系统的外设。ＺｉｇＢ篦协议栈Ｚ
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。 它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场 的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用。它依 据ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准。在数千个微小的传感器之间 相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到 另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 ＺｉｇＳｅｅ技术的应用前景被非常看好。ＺｉｇＢｅｅ在未
研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２００６． 【Ｄ］．杭州：浙江大学，２００６． 【４］ｌａｎｄｓｅｙ
【２］杨荣康．基于Ｚｉｇｂｅｅ无线传感器网络在车辆检测中的应用 【３】欧杰峰．基于ＩＥＥＥＳ０２．１５．４的无线传感器网络组网研究
中图分类号：仰３９３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ
文献标识码：Ａ
文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２∞９）０５—０１９２—０３
Ｗｉｒｅｌｅｓｓ
Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｂａｓｅｄ
ＬＩＵ Ｚｉ－ｊｉｎｇ，ＰＥＩ Ｗｅｎ－ｊｉａｎｇ
ｏｎ
ＺｉｇＢｅｅ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ
（璜和ｒｔｍ∞ｔ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
２．３系统软件总体设计
图１中的射频传输控制模块主要负责基于ＺｉｇＢｅｅ 协议的无线通信；ＵＳＢ控制器主要功能是将外部的 ＵＳＢ信号转换成调试信号；电源管理模块为整个系统 提供３．３Ｖ和１．８Ｖ两路电，设计了多达４路的供电接 口汐｝设部分包含了系统中全部的外部资源，分别是： ＵＡＲＴ、输入设备、输出设备、语音扩展电路、可调电 阻、扩展１０接口、光敏电阻、外部ＥＥＰＲＯＭ、加速度传 感器。其中射频传输控制模块是整个系统的核心。 ２．２射频模块设计 由于篇幅限制，硬件部分的说明主要以系统中的 核心模块射频传输控制模块展开说明。射频传输模 块【２】使每个终端可以和其他设备进行通信包括网络维 护和数据传输。无线射频收发芯片的种类和数量繁 多，其工作的频段也有４３３ＭＨｚ，９６８ＭＩ－Ｉｚ，以及ＺｉｇＢｅｅ 使用的２．４ＧＨｚ等。目前Ｃｈｉｐｃｏｎ，Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ等公司都 着力于开发工作在２．４ＧＨｚ的ＺｉｇＢｅｅ适用的芯片。选 用理想的无线收发芯片可以减少开发难度，缩短开发 周期，降低成本，更快地将产品推向市场。选择２． ４ＧＨｚ的无线收发芯片时也应考虑了收发芯片所需的 外围元件数量、发射功率、收发芯片的封装和管脚数几 个因素。最终选用Ｃ＇ｈｉｐｃｏｎ公司的ＣＣ２４３０ ＺｉｇＢｅｅ传输