彭燕

(渭南师范学院物理与电子工程系，陕西渭南714000)

ZIGBEE无线网络组网研究

彭燕

(渭南师范学院物理与电子工程系，陕西渭南714000)

叙述了新型无线Zigbee通信技术，介绍了Zigbee协议特点、网络设备以及网络拓扑结构;陈述了Zigbee标准协议栈结构及数据在协议栈内部的传输机制;详细给出了Zigbee设备形成网络时，各个设备工作状态及设备之间网络连接过程;最后通过实验验证了Zigbee无线星型组网.实验证明，Zigbee技术是有效的无线传感器网络组网技术.

Zigbee技术;无线传感器网络;协议栈;无线星形网络

0 引言

ZigBee这个词由“Zig”和“bee”组成，它是模仿蜜蜂跳之字形舞.而开发的类似于蓝牙的新兴短距离无线通信技术，国内翻译成“紫蜂”.一个无线Zigbee网络可由多到65000个无线数传模块组成，每一个Zigbee网络数传模块就是一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里;另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接.该项技术的主要特点是:低功耗、低成本、低速率、近距离、短延时、高容量、高安全且工作在2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)免执照频段［1］.在每一个Zigbee网络节点模块上连接各种传感器，就可以实现节点覆盖区域的无线数据采集和监测，可以应用到军事、农业、智能家居等领域，是一种高效的短距离、低功耗无线网络.本文从Zigbee技术原理出发，通过实验研究应用Zigbee技术的节点单元形成网络的过程.

1 Zigbee网络设备及网络拓扑

1.1 Zigbee设备

在Zigbee网络中包含三种节点:协调器(ZC)、路由器(ZR)和终端节点(ZED)［2］.

(1)Zigbee协调器(ZC)，每个Zigbee网络中必须有一个，用于初始化网络信息，它一般上电启动，并配置整个网络(如设定网络标示符，选择信道等)，一旦完成相当于路由器.

(2)Zigbee路由器(ZR)，它主要用于允许其他网络设备加入，实现多跳路由，完成与子节点的通信，并且本身也可作为终端节点使用，节点使用电池供电.

(3)Zigbee终端(ZED)，向路由节点传递数据，没有数据传输时可进入睡眠状态，否则处于唤醒状态，节点使用电池供电.

节点硬件(即Zigbee设备)结构有许多种形式，最常用的有微处理器加无线射频模块的节点形式及集成了单片机的无线射频模块节点.本文研究对象为最常用的微处理器加无线射频模块的节点，不同设备运行不同协议，硬件结构上没有区别，具体结构见图1.

1.2 Zigbee网络拓扑

Zigbee网络中的三种节点可以组成多种网络拓扑结构:星型拓扑结构和网状拓扑结构，具体拓扑结构见图2.星型拓扑网络由一个协调器作为中央控制器连接多个终端节点组成;网状拓扑结构也由协调器、路由器和终端混合组成.在网络中任何节点都工作在其通信范围之内，与其它设备进行通信.本文实验研究星型网络拓扑结构，三个节点完成无线环境区域内的星型组网连接，其中终端设备两个，协调器设备一个.

2 Zigbee协议及网络连接

2.1 Zigbee协议栈

Zigbee技术的基础是IEEE802.15.4，Zigbee技术联盟提出了其技术的安全层、网络层及API层标准.协议栈结构见图3.该技术具体是由各种软件代码，分层次组成的软件协议栈.代码分类:应用层(App.c)、应用安全层、网络层(Nwk.c)、MAC层(Mac.c)等，这些代码是以源代码和库文件的形式出现在程序中.

该Zigbee框架中，PHY定义Zigbee设备的工作频段2.4GHZ;MAC层负责相邻设备间的间单跳数据通信;SAP是为某一特定层提供的服务与上层之间的接口，不同层间都通过服务接入点(SAP)进行连接;应用层由用户开发提供功能服务函数;安全服务提供层提供信息安全加锁服务;网络层是该协议栈的核心部分，主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找以及传送数据等功能，支持多种拓扑结构［3，4］.

2.2 Zigbee网络连接

网络连接建立过程首先由协调器节点发起，协调器启动后搜索附近其它协调器，如果没有发现协调器，建立一个新网络，并为新网络分配网络PANId，启动允许其它设备加入该网络.

当网络建立并允许新设备接入时，子设备可以通过两种方式加入网络:

(1)利用MAC子层关联接入程序加入网络;

(2)通过应用层预先指派的父设备直接加入网络.

在本实验中，子设备选择关联连接网络，这也是新设备接入zigbee网络的主要途径.子设备收到关联接入完成后，更新自己的16位短地址和邻居表，短地址是协调器识别子设备的重要标识.协调器设备和子设备，都调用网络层程序，设备间通过传输命令帧实现任务.

3 无线组网实验

3.1 数据采集单元

本实验完成温度数据的精确采集，选择的传感器为DS18B20单总线温度传感器［5］.该传感器测量范围从－55摄氏度到+125摄氏度，增量值为0.0625摄氏度;独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信，具体连接见图5.

3.2 无线组网实验

本实验采用三个节点完成无线环境区域内的星型组网连接，网络设备包括协调器和两个终端节点［5，6］.实验中，节点硬件采用相同构成，采用Microchip公司开发的Zigbee实验平台，该平台MCU采用PIC18F4620，射频芯片采用CC2420，协议栈采用该公司对应的软件程序.终端和星型网络协调器功能差异由软件实现，完成终端采集温度数据而协调器收集数据的任务［7］.编写设备的应用层程序代码、实验结果见图6.

4 结束语

本文分析了使用Zigbee协议组成无线网络的过程，通过实验证明了zigbee协议栈能够形成稳定可靠的Zigbee无线网络.用户可以根据使用环境选配不同的传感器，并选择所需的拓扑结构，实现不同应用环境不同拓扑结构的无线传感器网络，如覆盖面积较大可选择多跳路由方式传递数据，即将本实验协调器作为协调器和路由器继续向上级传输数据.该系统可以应用于军事监测、智能家居、工农业生产等等领域，为监测环境区域参数提供了强而有效的方案.

［1］方旭明，何蓉.短距离无线与移动通信网络［M］.北京:人民邮电出版社，2004.

［2］蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2006.167－237.

［3］Zigbee Specification［EB/OL］.http://www.Zigbee.com.2006.

［4］Microchip stack for the Zigbee?protocol V1.0－3.6［EB/OL］.http://www.microchip.com.2006.

［5］林丽萍.基于Zigbee的无线传感器网络组网研究［D］.复旦大学硕士学位论文，2008.

［6］李小珉，赵志宏，郭志，等.Zigbee无线传感器网络的研究与实现［J］.电子测量技术，2007，30(6):133－137.

［7］赵文仲，段朝玉.PIC单片机与Zigbee无线网络实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［责任编辑 牛怀岗］

Abstract:A wireless technique is introduced in this paper.Firstly，characteristics of ZIGBEE，device in wireless network and network topology are presented;then，structure of ZIGBEE software stack and mechanism for transmission data are discussed;when formatting wireless network，different states in which endpointand coordinatorwork and course of linking between endpointand coordinator are researched;lately，when experimenton starwireless network formation is done，outcome proofs that ZIGBEE is an effective communication technique for wireless network.

Key words:ZIGBEE;wireless network;software stack;star wireless network

Research on Formatting a W ireless Sensor Network by Zigbee

PENG Yan
(Department of Physics and Electronic Engineering，Weinan Teachers University，Weinan 714000，China)

TP393

A

1009—5128(2011)02—0042—04

2010—07—05

渭南师范学院科研计划项目(10YKZ070)

彭燕(1984—)，女，陕西宝鸡人，渭南师范学院物理与电子工程系教师，硕士.研究方向:智能检测及应用技术.