基于ZigBee技术的无线传感器网络组网设计.doc

第 32 卷 第 11 期电 子 测 量 技 术传感器技术及非电量检测技术 EL EC TRON IC M EASU R EM EN T T EC HNOL O GY 2009 年 11 月基于 Zig Bee 技术的无线传感器网络组网设计武永胜王伟沈昱明(上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海 200093)摘 要 : ZigBee 技术是一种新兴的短距离 、低速率 、低功耗 、高可靠性的无线网络技术 ,目前在近距离无线网络领域得到广泛应用 。详细介绍了 Zigbee 无线技术的组网原理 、地址搜寻及传输模 式 。然后通过 Ma xst rea m 公司的 Xbee/ Xbee2Pro ZB 开发套件 ,采用簇状网络拓扑结构 ,构建了无线传感器网络平台 ,并且对网络终端的软硬件进行了设计 。 在本实验中采用标识符地址识别法实现数据传输 ,实验证明 :利用 XB E E 模块设计的无线传感器网络能够实现多个终 端之间的数据可靠传输 ,完全可以满足无线局域传感器网络的需求 。关键词 : XB E E 模块 ;无线传感器网络 ;簇状拓扑结构 ; M SP430中图分类号 : T P392文献标识码 : ADesign of wireless sensor net works ba sed on Zig BeeWu Yo ngsheng Wang Wei Shen Yuming( Dep a rt ment of op tical2Elect rical a nd co mp ut er Engi neeri ng , U niver sit y of Sha nghai fo r Science a nd Technolo gy , Sha nghai 200093)Abstract :ZigBee technolo gy i s an emer ging sho rt2range , lo w2speed , lo w po wer co nsump tio n , high relia bilit y wirele ss net wo r k technolo gy , widely used in t he field of sho rt di sta nce wirele ss net wo r ks cur rently . Thi s p aper int ro duce s t he net wo r king p rinciple s of Zigbee , t he way of addressing a nd t ra nsf er mo de. Then , t he paper detail s t he p roce ss of fo r ming WSN platfo r m ba sed o n cl uster2like topolo gy by t he Xbee/ Xbee2Pro ZB develop ment kit of Ma xst rea m , a nd a nalyse s t he sof t wa re and ha r dwa re de sign of ter minal s. In t he exp eriment , t ransmi ssio n i s availa ble depends o n t he identifier addre ss reco gnitio n met ho d. The re sult s indicate t hat t he use of XB E E mo dule fo r WSN ca n achieve sta ble t ra nsmi ssio n of data bet ween multiple ter minal s , it ca n f ully meet t he requi rement of WSN .Key words : XB E E mo del Wireless Senso r Net wo r k Cl ustered Topolo gy M sp4300 引言Zig Bee 协议栈ZigBee 协议栈是基于国际标准组织 ( ISO) 开放系统互 连 ( O SI) 参 考 模 式 , 但 仅 对 涉 及 ZigBee 的 层 给 予 定 义 ZigBee 协议由底向上分为 3 : 物理层 、介质访问控制子层 网络层 、应用层 。I E E E802 . 15 . 422003 标准定义了物理层 ( P H Y) 和介质访问控制子层 ( MA C) ,其中 MA C 层能支持 多种 LL C 标准. 通过 SSCS (业务相关的会聚子层协议) ,承 载 I E E E802 . 2 类型 I 的 LL C 标准 ,且允许其他 LL C 标准 直接使 I E E E802 . 15 . 4 的 MA C 层服务 ; ZigBee 联盟提供 了 Zi gBee 协 议 的 网 络 层 ( N W K) 和 应 用 层 ( A PL ) 框 架 设计 。1无线传感器网络 WSN ( Wirele ss Se nso r Net wo r k ) 是具有数据采集 、传输 、处理的多功能无线网络 ,相比传统的 有线网络 ,它具有构建网络方便 , 受环境影响小 , 功耗低 ,成本低 等 优 点 。ZigBee 是 一 组 基 于 I E E E 批 准 通 过 的802 . 15 . 4 无线标准 1 研制开发的有关组网 、安全和应用软 件方面的技术标准 ,它是一种新兴的短距离 、低速率 、低功 耗 、低成本双向无线通信技术 。I E E E 802 . 15 . 4 规 范 是 一 种 经 济 、高 效 、工 作 在2 . 4 GHz 、915 M Hz 、868 M Hz 的短距离无线通信规范 2 。 目前 , ZigBee 技术在安全系统 、家居应用远程监控系统 、楼宇自控系统 、嵌入式网络传感器数据采集等领域正逐渐得到广泛应用 。本文将 Zigbee 技术应用于无线传感器网络 ,对网络组 网方式及地址搜寻原理进行了讨论 ; 采用新型的簇型网络 拓扑结构 ,通过对协调器 、路 由 器 、终 端 设 备 相 关参 数 设 置 ,实现了多个传感器终端之间的数据可靠传输 。2 无线传感器网络的组网原理2 . 1ZigBee 网络设备类型及拓扑结构ZigBee 有 3 种拓扑结构和 2 种物理设备 425 :星形结构( St ar) 、簇状结构 ( Cl ust er t ree) 和网状结构 ( Me sh) , 其中 簇状网络结构图如图 1 所示 。2 种物理设备包括具有完全功能的设备 ( F FD ) 、仅 具 有 简 单 功 能 的 设 备 ( R FD ) 。在ZigBee 的 3 种网络拓扑结构中 ,都可以使用 F FD ,它可以 作为 ZigBee 网络的协调者 、路由的选择器 、网络的设备终 端 ;而 R FD 简单功能设备只适用于作终端设备 。网络协 调器主要完成网络初始化及网络的拓扑更新 ,传输网络信标 、管理网络节点及存储网络节点信息 , 提供关联节点之间的路由信息 , 存储节点数 据 设 备 等 。路 由 器 必须 加 入ZigBee 网络 ,才能发送 、接收或者路由数据 ,加入后能够允 许其 他 路 由 器 和 终 端 设 备 加 入 网 络 。终 端 设 备 加 入ZigBee 网络后才能接收或者发送数据 ,不能允许设备加入 网络 , 必须总是通过它的父节点发送和接收数据 , 不可路由数据 。特别的应用接收器 ,称为 ZigBee 终端 。基于 802 . 15 . 4 协议上的 ZigBee 协议规定了两种地址类型 6 : 16 位网络地 址和 64 位地址 。每个节点加入网络时 , 节点被分配到一 个 16 位的网络地址 。网络地址对网络中每个节点都是唯 一的 ,但是网络地址是可以改变的 ; 而每个节点 64 位地址是唯一的 ,具有永久性 。在网络的数据传输中 , 数据发送总是被传送至 16 位网络地址的目标设备 。ZigBee 设备在 传输数据前 , 必须在整个网络内发出网络地址搜寻 , 该数据包含有目标设备的 64 位地址 ,只有与数据包中 64 位地址相匹配的接收端才会向发送器反馈一个数据包 ,并提供 其网络地址 , 收到反馈时 , 发送器就可以传输数据了 。传输数据前模块将确保目标节点的 16 位网络地址和路径已被确定 , 如果没有发现相匹配网络地址的模块 , 则会丢弃 数据包 。具体示意图如图 2 所示 。图 1 ZigBee 簇状网络结构图2 . 2 Zig Bee 无线网络自组网原理ZigBee 网 络 由 协 调 器 启 动 来 实 现 自 组 网 功 能 。ZigBee 网络也叫做 ZigBee PA N 。当协调器首次启动的时 候 ,它将在多个信道上执行能量扫描 ,当能量扫描结束后 , 协调器扫描剩下的安静信道 。这时候 ,协调器发出一个广播 ,单跳信标要求 。任何附近协调器和路由器将通过发送信标帧到协调器响应到信标要求 。信标帧包含关于 PA N信息 ,包含 PA N 识别符 ,和是否设备允许加入 。一旦协调 器完成能量和 PA N 扫描 ,它分析所有收到的信标 ,并尝试启动一个没有被占用的 PA N ID 和信道 ,这个 PA N ID 是 唯一的 。路由器和终端设备只要启动 ,他们会不停的扫描PA N ,接收信标 ,配置以加入任何 ZigBee PA N ,或者加入带某一 PA N ID 的 PA N 。协调器或者路由器是否允许新的 设备加入主要有两个参数 : 加入允许使能和终端设备子节点数 。终端设备依靠它的父节点缓存收到的数据 ,协调器和每个路由器能支持有限终端子节点 ,一旦达到协调器或 者路由器规定的子节点 ,将不再允许终端加入 。2 . 3 网络地址搜寻及传输模式流程ZigBee 支持设备地址以及应用层地址 ,设备地址规定 了数据包所通向设备的目的地址 ,应用层地址指明了一个图 2 网络地址搜寻及传输模式流程图3 基于 Xbee 模块的无线传感器网络平台构建3 . 1 无线传感器节点硬件设计本 传 感 器 网 络 节 点 主 要 由 低 功 耗 单 片 机 M SP430 F149 7 和 Xbee2Pro 无线收发器及温度 、振动传感 器组成 。M SP430 F149 单片机作为处理器 ,主要实现数据处理 、数据保存 、流程控制等功能 。M SP430 系列单片机是由 T I 公司推出的一款超低功耗 16 位信号处理器 ,系统中 有一种活动模式和 5 种低功耗模式 ,可以根据需要在不同的模式下工作 , 有效降低功耗 。其运算性能非常强大 , 可以有效提高无线模块的响应速度 。此外 , M SP430 单片机 内部有两个 U SA R T0 和 U SA R T1 串行通信口 ,支持在线编程 ,有保密熔丝 ,能够防止数据泄漏 。Xbee2Pro 是 Ma x st rea m 公司提供的一种无线收发模块 8 ,其设计满足 I E E E802 . 154 标准 ,工作频率 2 . 4 GHz 。Xbee2p ro 模块的基本性能参数如下 7 :发送功率 100 m W ,接收灵敏度 - 100 dB m ,室内传输距离 100 m ,室外传输距武永胜 等 :基于 Zi gBee 技术的无线传感器网络组网设计第 11 期离 1500 m , R F 数据传输速率为 250 kb/ s ; 在 3 . 3 V 电源下 ,发送电流 215 mA ,接收电流 55 mA ; 在组网中 ,可以构 建对等网 、点对点及点对多点网络 。在本 WSN 节点设计中 ,采用 DS18B20 为数字式温度传 感器和 CDZK2ZDC G201 为振动传感器采集要传输的数据 。MSP430 单片机 、Xbee2Pro 模块及各种传感器之间的连接如图 3 所示 : MSP430 的管脚 P4. 0 、P4 . 1 分别连接 Xbee2Pro 模块的 C TS 和 SL EEP_ RQ 管脚 , MSP430 和 Xbee 2Pro模块利用同一个复位键 , 即两个 RS T 管脚互连 , U TXD0 、 U RXD0 分别和 DIN 、DOU T 相连 。C TS 为流控管脚 ,正常 发送状态为低电平 ,当 Xbee2Pro 模块的接收缓存溢出时 ,会变为高电平 ,这时控制器不再向 Xbee2Pro 模块发送数据 。SL EEP_ RQ 状态用来对模块进行唤醒或者使睡眠 。t = 3 SN ( SP10) = 63 . 3 组网及软件设计如表 1 所示 ,CC 、R T 、R1 、R2 分别表示协调器 、路由器 及接收终端 1 和 2 。CC 采用 Xbee2Pro 开发套件中的 U SB 开发 模 块 , 并 且 与 X2C TU 软 件 相 连 , R1 为 M SP430 和 XB E E 模块组成的传感器节点 , R2 为 Xbee2Pro 开发套件 中的 RS232 开发模块 , R2 通过串口与 PC 机相连 ,用串口调试助手作为收发观察界面 。协调器通电之后 ,就会开始 信道扫描 。发现路由器及 R1 、R2 两个接收模块 ,并加入网 络 。节点的具体入网流程如图 4 所示 。Xbee2Pro 模块有 两 种 传 输 模 式 : A P I 模 式 和 透 传 模 式 。在本设计中 Xbee2Pro 模块采用透传模式 ,利用 A T 命 令设置参数 ,设置格式如下 8 : A T A SCII 码命令 空格 参数 (可选) 例如 A T DL 11 F 。在各终端参数设置中 , 先输入 + + + , 返回 O K 后成 功进入命令模式 ,然后通过 A TDN N I 来更改发送 数据的目标地址 , 等待返回 O K 后命令设置成功 , 然后再通过命令 A TCN 退出 A T 命令设置模式 。图 3 传感器节点硬件连接图3 . 2 各网络节点参数配置Xbee2Pro 无线模块自带 Zigbee 协议栈的程序 ,只需要 通过程序来改变模块的参数即可实现组网通信 。在本网 络设计中 ,采用 4 个 Xbee2Pro 收发模块 ,分别是一个协调 器 ,一个路由器 ,还有两个接收模块 。通过 X2C TU 软件分 别对 4 个 XB E E 模块的参数进行如表 1 。表 1 各网络节点参数设置模块类型协调器 CC :路由器 R T : 终端 R1 : 终端 R2 :IDshiyan shiyan shiyanshiyanN ICC R T R1R2J N111SP000 X640 X64SN0022图 4 传感器网络节点入网流程图所有模块的初始目标地址配置如下 :D H (De sti natio n a ddre ss high) :0000 H DL (De sti natio n a ddre ss high) :0000 H 。ID 为 PA N ID 局域网标识符 ,同一网络下的 ID 必须相同 ,协调器的 ID 必须设定 ,其他 3 个模块的 ID 可以设置 为 0 允许加入任何网络 。N I 为节点标识符 ,可以用来配置远程地址 ;J N 为允许加入网络使能端 ; SP 为睡眠周期 ,协调器和路由器必须设置为 0 , 持续工作 , 接收模块可以睡 眠 ; SN 为循环周期数 , 用于计算终端向父节点反馈的时 间 ,大于这个时间终端将会离开父节点寻找新的父节点 ,计算公式 9 :无线网络节点网络设置相关代码如下 :# p ra gma vecto r = U A R T0 R X_ V EC TO R / / 利用中断接 收数据_i nt er r up t void u sart 0_r x ( void)w hile ( ( IF G1 & U TXIF G0) = = 0) ; / / U SA R T0 接收缓 存有数据吗 ?R X_C HA R i = R XB U F0 ;i + + ;ucha r 3 co mma nd =“ + + + ”; ucha r 3 TO R2 =“A TDN R2/ n”; ucha r 3 TOCC =“A TDN CC/ n”;uchar 3 BA C K =“A TCN/ n”;uchar 3 A C K =“O K”;st rcmp ( R X_O K , A C K) ; / / 判断发送命令后是否返回 O K Put St ri ng ( uchar 3 co mma nd) ; / / 调用发送程序 ,进入命令 模式装置包含了一个协调器 、一个路由器和两个终端节点 , 其中协调器 CC 和终端节点 R1 采用开发套件 ,路由器 R T 和 终端节点 R2 采用自己设计的无线传感器网络节点 。通过 搭建的网络平台 , 测试了各种距离下的数据通信 , 实验结 果证明 ,在短距离内 , R1 、R2 、CC 能够通过 R T 准确传输数据 ,系统运行稳定 , 可靠性能高 。该组网方案可以用于餐厅的无线点菜系统 ,小区车辆的管理系统及各种工业中的 在线检测系统 ,具有很大的开发价值 。如果在一个区域有多个 ZigBee 网络的情况下 ,可以启动加密系统 ,提高数据的安全性 。参 考 文 献Put St ri ng ( ucha r向 R2Put St ri ng ( ucha r向 CC3 TO R2 ) ; / / 修 改 R1 的 目 标 地 址 传3 TOCC ) ; / / 修 改 R1 的 目 标 地 址 传Put St ri ng ( uchar 3 BA C K) ; / / 退出命令模式Put St ri ng ( uchar 3 R X_C HA R) ; / / 将接收到的数据发送 出去Voi d Put St ri ng ( uchar 3 R X_C HA R) w hile ( 3 R X_C HA R ! = 0) 1 T IM MON S N F , SCANL ON W G. A nalysi s of t hep erfo r ma nce of IE E E 802 . 15 . 4 fo r medical senso r bo dy a rea net wo r king J . IE E E Wirele ss Co mmunicatio n ,2004 ,26 (8) :16224 .王骥 ,沈玉利 ,林菁 . 基于无线传感器网络生理参数采集系统 设 计 J . 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 , 2009 , 23 (2) :94298 .郭旭峰 ,田丰 ,孙小平 . 无线传感器网络节点的研究与 设计 J . 沈 阳 航 空 工 业 学 院 学 报 , 2007 , 10 ( 5 ) :62264 .金海红 . 一种无线传感 器网络 zigbee 通信平 台 设 计J . 国外电子测量技术 ,2008 ,27 (11) :60262 .高建 ,方滨 ,尹金玉 . Zigbee 无线通信网络节点设计与 组网 实 验 J . 计 算 机 测 量 与 控 制 , 2008 , 16 ( 12 ) :191221914 .李小珉 , 赵志宏 , 郭志 . ZigBee 无线传 感 器 网 络 的 研 究与实验 J . 电子测量技术 ,2007 ,30 (06) :1332136 .沈晓昱 ,王晓娜 ,李文军 . 基于 M SP430 的低功耗温度 采集报警系统的实现 J . 工业仪 表与自动化装置 ,2009 (3) :31233 .王静霞 . 一种与 ZigBee/ 802 . 15 . 4 协议兼容的 R F 模 块 XBee/ XBee Pro 及其应用 J . 电子工程师 , 2007 ,(03) :24227 .XB E E _ Seri se s2 _ O EM _ R F2Mo dule s _ ZigBee . p df Z10L ht tp :/ / www . digi . co m/ technolo gy/ wireless/ p ro duct s. j s