基于Zigbee技术的无线传感器网络的设计与实践

王永强王远飞陆欣

1. 哈尔滨职业技术学院 2. 哈尔滨科技大学

基于Zigbee技术的无线传感器网络的设计与实践

王永强1王远飞1陆欣2

1. 哈尔滨职业技术学院 2. 哈尔滨科技大学

网络发展迅速，互联网、物联网技术也在不断成熟完善。伴随而来的无线传感网络的应用也大幅拓展。Zigbee协议是无线传感网络的主要应用协议，本文就无线传感网络和Zigbee进行了详细介绍，同时就协议堆栈z-stack进行了设计举例。

无线传感网络 协议 协议栈 体系架构

1 无线传感网络介绍

1.1 定义与作用

无线传感器网络的英文缩写为WSN，它是在一定地理范围区间内，通过无线的传感器节点，去感知网络中的观察对象。这些对象常常是压力、湿度、温度、地质状况等。并把相关的情况转化为数据，对数据进行保存与传送，传送给网络的观察方。可以说这种解释直接说明了无线传感网络的作用。它的主要作用可以概括为数据的采集和保存、数据的处理以及数据的传送。

1.2 无线传感器网络结构与工作方式

无线传感器网络的结构是三部分组成，相互协调进行数据采集与传输的工作。

首先是传感器节点，它会采集附近区域观察对象的情况，简单的进行数据处理后，进行存储。通过多跳的方式将数据传送到其它的传感器节点上。进一步，传感器节点传送的数据，通过不断的跳转与传送会汇聚到汇聚传感节点上，将这些数据统一存储，分类处理，然后与互联网交互，将数据信息传送给观察者。观察者最终获得所需说句。那么从这个工作过程也可以看出结构中的三个部分。最基本的是传感器节点。具备存储数据简单处理数据的功能，对比而言存储能力不强，处理能力较低。汇聚存储节点则要存储最终的多个传感器节点的数据，并要统一处理，所以存储和处理能力较强。同时要实现传感器网络与互联网络的交互作用。而观察者我们通过作用命名可以称之为管理节点，是发布任务，最终获取信息的网络节点，它处于互联网之中。

2 Zigbee相关介绍

它是一种协议，也是一种标准，适用于无线传感网络。有自己固定的频段。协议自身的特点决定了它更加适合于较短距离的无线网络通信。它的特点有以下几点：首先，可靠性能高，通常而言，无线网络是通过光波等介质进行数据通信的，没有实际的线路介质，所以受到天气、温度等条件的影响较大。而Zibee协议，在设计时候就考虑到了这个因素，适合于短距离的无线通讯，技术采用不会收到较大的天气影响。其次，它能耗小，自身部件少，供电甚至可以使用电池，能耗很小。最后，它的网络拓扑结构简单，应用最多的是星型结构和总线型结构。

3 基于Zibee的无线网络传感器网络设计举例

无线传感器网络在地质信息检测方面得到了广泛的应用，这里以农业传感器网络为例进行简单说明，篇幅有限，仅就部分网络搭建设计进行阐述。

3.1 农业无线传感器网络设计作用与意义

农业无线传感器网络应用可以更好的与物联网技术融合，可以是两种网络作用的共同体现，例如大棚种植中种植条件的检测，种植情况的分析，危险状态发出警报等产生作用。可以更好的进行种植的无人化、自动化和高产化。

3.2 无线传感网络中ZigBee网络构建及设备驱动开发设计

ZigBee网络中，设备分为协调器、路由器和终端设备。协调器主要功能是建立ZigBee网络，当网络建立完成后，协调器退化为普通路由器，另外协调器还可以用于配置网络安全及应用层设备绑定。路由器执行路由功能，主要包括：允许其他设备加入网络；支持多跳网络；存储子节点处于休眠状态的消息。终端设备仅需完成对数据采集，可周期休眠与唤醒，以降低系统能耗。Z-Stack的核心是任务系统。协议栈为每个模块定义一个任务，用于处理模块内部的所有事件。所有任务均在OSAL初始化时被添加到任务列表，不同任务具有不同优先级，高优先级任务会被操作系统优先调度和执行。通过轮转查询的调度方式，OSAL完成各模块定义的所有功能。在Z-Stack中，任务由函数初始化，并通过tasksArr指向任务的处理函数。根传感器的数据采集任务就可以当作应用层任务。传感器终端节点采用星形网络拓扑结构，该结构由一个协调器和多个终端传感节点构成。终端节点只能与协调器直接进行通信，各个终端之间不需直接进行通信。对于终端节点，其流程较简单，设置好定时器中断，每隔一定时间读取传感器数据，并将其发送至相邻的协调节点。

4 Zibee无线传感器网络发展展望

基于Zibee的无线传感网络已经在很多领域应用，但是在智能城市、医疗控制等方面的应用还有待突破。这与自身特点有关，同时也是因为智能城市与医疗控制对实时性要求较高，数据处理的每个节点都有较高的要求。造价和实现存在一些困难。但伴随硬件设备技术的不断发展，未来这些方面的无线传感器网络将有广阔的发展空间。

[1]张任,王坚锋,严海.基于ZigBee的无线传感器网络节点设计[J].机电工程.2008(08)

[2]冷亮,刘丹.基于ZigBee的无线传感器网络[J].中国科技财富.2008(07)

项目来源

本文系2016年哈尔滨市应用技术研究与开发项目（科技创新人才）“物联网时代主动服务式智慧大楼”项目研究成果（编号：2016RAQXJ206）。