吕伟

【摘要】 本文首先分析了以ZigBee技术为核心的无线传感器网络的相关技术，然后设计并实现了无线传感器网络选择性组网系统，最后在选择性组网和系统性能方面做了相关测试，测试表明本系统可以实现选择性组网功能。

【关键词】 无线传感器网络 ZigBee 选择性组网

一、背景

无线传感器网络是目前IT行业研究的热门课题，以无线传感器网络技术为核心的物联网，市场规模巨大，应用环境多种多样。在实际生活中无线传感器网络的广泛应用，尤其是其在智能家居、环境监测、智能交通和城市数字化建设等领域的实际的和潜在的应用价值，使得许多科研机构投入了大量的物力和人力，促进了这种技术的快速发展。采用ZigBee 技术来组建无线传感器网络，具有功耗低、自愈能力和自我组织功能，实时采集监测所需的各种数据信息，为获取监测对象信息提供很好的平台。当无线传感器网络在同一区域内若存在多个网络时，协调器无法建立有特定标志的网络，终端节点也无法有选择性的加入特定网络，很可能造成组网混乱，为此有必要研究并设计一套有选择性的组网系统，实现无线传感器网络的选择性组网功能。

二、ZigBee关键技术分析

2.1 无线通信技术分析

目前常用的近距离无线通信技术有蓝牙、Wi-Fi、UWB以及 ZigBee等。ZigBee技术的传输数据速率通常在20kbps-250kbps之间，传输距离通常在10米-100米之间，具有低功耗、低成本、网络容量大等优点，主要用于实现无线传感器网络中通信功能。

（1）ZigBee 技术简介

ZigBee通信频段和信道分析。IEEE 802.15.4规定了物理层的868MHz 、915MHz、2.4GHz 3个频段，规定了27个信道，各频段都免执照使用，三个频段的数据传输速率、信道个数、使用区域和调制解调方式各不相同。其中2.4GHz频段是全球通用频段，传输速率250 kbps，有信道16个，调制解调方式采用直接序列扩频和偏移正交相移键控，其信道的标准频率是通过公式Fc=2045NHz+5（k-11）MHz，（k= 11，12，13 26）进行计算。

ZigBee协议栈分析。ZigBee 协议栈分主要分为四层：物理层、媒体访问控制子层、网络层和应用层。每一层的除了负责完成本层协议的任务，同时为上一层提供服务。

（2）网络拓扑结构分析

网络设备。在无线传感器网络中网络设备主要包括：协调器、路由器和终端三种设备。协调器主要功能是建立一个网络号唯一的网络。路由器主要功能是对数据和命令进行路由的选择。终端节点主要功能是接收命令或将采集的数据信息上传，只需要加入已建成的网络即可，它本身不具有路由和网络维护功能。

拓扑结构。无线传感器网络中常用的拓扑结构有三种：星型网、树型网和网状网。星型网络呈现出一个辐射状系统，协调器处于网络中心。星型网的优点是：结构简单，组网方便。树型网的拓扑复杂度介于网状网和星型网之间。网状网实现了网络的自愈、多跳和自组织的功能，但其协议复杂，对硬件要求高。本系统选择采用星型网络拓扑来搭建网络。

2.2无线通信芯片选型

目前世界上有很多生产ZigBee无线芯片的制造公司，通过对市场上比较主流的四家公司的芯片在接收灵敏度、最大发射功率等方面进行对比分析，可以看出CC2530芯片能够满足实验环境的需要，并且芯片功耗较小，它的这些性能与其他制造公司的芯片相比，具有很大的优势。因此本系统选择TI 公司的CC2530芯片。

2.3 CC2530常用功能

电源管理。终端节点在数据发送和数据接收，以及空闲状态时的能耗较高，而在休眠时的能耗较低。由于数据发送和数据接收是不可避免的，所以在空闲时若终端节点能进入睡眠状态就可以很好的降低功耗。

时钟管理。CC2530芯片内部有一个主时钟源，主时钟源既可以采用片内的16MHz RC振荡器，也可采用外部的32MHz晶体振荡器。由于本系统主要涉及RF收发功能，而内部6MHz RC振荡器虽然耗电量小，但是不能用于RF收发功能，所以本系统采用外部32MHz晶体振荡器作为主时钟源。

定时器。由CC2530使用手册可知，它有4个通用定时器、1个睡眠定时器和1个看门狗定时器。通用定时器T1/T2/T3/T4。其中T2定时器被系统使用，用户不能使用，可供用户的定时器是T1/T3/T4，定时器的定时功能都基于计数器建立。

中断处理。CC2530有18个中断源，常用的有Timer1中断T1、睡眠定时器（Sleep Timer）中断ST、看门狗定时器（Watchdog Timer）中断WDT、RF通用中断RF和串口接收中断USART0。

存储器管理。CC2530芯片里有两种类型的物理存储设备：SRAM和FLASH，映射为四种不同的存储空间，CODE存储空间、DATA存储空间、 XDATA 存储空间、SFR存储空间。本系统使用的CC2530芯片型号是F256，它共分为8个bank。

三、选择性组网设计与实现

在本文中，选择性组网是指定的节点只能加入指定的协调器网络。选择性通信协议是指为实现选择性组网而定义的一套含有标志字段的通信协议。在选择性通信协议中有网络标志字段，它是网络的标志属性，能够区别不同类型的网络类别。当传感器节点在寻找网络的时候，依据网络标志段有选择的加入网络，从而实现有选择性的组网。

3.1 协调器建立网络

协调器建立网络过程是：（1）硬件初始化。（2）协调器确定网络号。（3）广播网络标志帧。（4）等待终端节点加入。协调器上电初始化设备后，搜索信道n 秒，若是周围不存在网络，则取出本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号；若周围存在网络，且是不同类型网络，则用本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号，若是同类型的网络，并且网络号和本协调器物理地址后四位不相同时，用本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号，若相同，则取最大网络号加1作为本网络的网络号。协调器不间断的向外广播网络标志帧，同时监听是否有终端节点入网申请，若有则判断帧的标志段，若是同类型网络，则允许入网，分配网络地址，回送确认帧，保存节点信息至上位机，若不是，则不予处理。协调器建立网络流程如下图所示。

其中，FCF为帧控制域字段，长度为2字节。PANID为网络号字段，长度为1字节；Broad_addr为广播地址，长度为2字节，值为十六进制FFFF；Sour_addr为源地址，即协调器的网络地址，长度为2字节，值为十六进制0000；Flag为标志字段，长度为10字节，是网络的特定标志。

3.2 协调器工作阶段

协调器在工作阶段有三种功能，一是接收网络中节点数据，二是处理新节点的加入，三是不间断广播网络标志帧。（1）协调器接收数据。协调器收到数据帧后，判断帧中网络号是否与自己网络号相同，若相同，回送数据确认帧，并取出帧中数据字段，及节点短地址，组织数据包，传送给上位机。否则，不予处理。（2）协调器处理新节点加入。协调器在接收网络节点数据的同时，可能有新的节点申请加入网络。收到节点入网申请帧后，判断帧中是否是同类型网络，若是同类型网络，则分配网络地址，回送确认帧，保存节点信息至上位机。若不是，则不予处理。（3）广播网络标志帧。协调器在接收网络节点数据、处理新节点加入的同时，还不间断的广播网络标志帧。

3.3 终端节点加入网络

终端节点加入网络过程是：（1）硬件初始化。（2）搜索信道找出最近同类型网络。初始化后，在定长时间段内（搜索信道时间），终端节点搜索信道，接收分析数据包，判断是否为同类型网络，若是计算出网络信号强度，若不是则不予处理，搜索信道时间结束，取出网络信号强度最大的网络号，设置为自己的网络号，并申请加入。（3）申请加入网络。确定了要加入的网络后，向该网络的协调器发送入网申请。（4）等待确认。终端节点发出入网申请后，等待协调器的响应帧，收到响应后，则判断帧中的特定域值是否是自己的MAC地址，若是则取出帧中特定字段值作为本节点的网络短地址；若不是，则重发入网申请，直至入网成功。终端节点入网流程图如下图所示。

3.4 终端节点工作阶段

当终端节点加入网络成功后，即进入工作阶段。当终端节点进入工作阶段后，首先进行数据的采集发送任务，完成后，进入低功耗休眠模式，当休眠预设时间间隔到时，睡眠定时器唤醒终端节点，进行相应的数据采集发送任务，当收到协调器回应的数据确认帧后，则说明此次任务完成，进入到低功耗休眠模式；若收不协调器回应的数据确认帧，需继续数据的采集发送任务，当重发次数大于预设的阈值时，则节点重启系统，重新加入网络；若没有大于预设阈值时，需重新采集发送数据，至到收到协调器的数据确认帧为止。

四、系统测试分析

为了验证本系统的无线传感器网络系统的标志性信息的有效性和系统传输性能，对本网络系统进行一些性能测试，主要是对选择性组网性能和系统传输性能进行测试，其中选择性组网性能测试包括同类型网络组网测试、不同类型网络组网测试、混合类型网络组网测试等，测试表明同一区域内特定节点可以正确加入特定网络。在系统传输性能上，主要包括丢包率测试、入网延迟测试、节点能耗测试、网络稳定性等测试，测试表明，在丢包率、入网延迟、节点能耗上，本系统的选择性组网能够顺利实现，但在网络稳定性上有待改进。

五、小结

通过研究分析ZigBee协议栈和无线传感器网络技术，翻阅参考相应的CC2530芯片使用手册，利用IAR 开发环境，本文研究设计了一种选择性组网无线传感器网络系统。此系统是基于 ZigBee 技术，选用CC2530 芯片设计软硬件的星型网络。在系统运行中，终端节点负责定时采集和发送数据，并通过无线网络把采集的数据传送给协调器，协调器负责把各终端节点传送来的数据处理后通过串口传送给上位机。通过测试，明本系统能够实现可靠的选择性网，达到了研究和设计的目标。

参 考 文 献

[1]翟雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[2]王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社，2012.

[3] Texas Instruments. CC253x User Guide[Z]. http：//www.ti.com.cn/product/cn/cc2530.