一种基于ZigBee协议的无线传感器网络设计与应用研究

张 丽

（辽宁省本溪市机电工程学校，本溪 117000）

0 引言

ZigBee无线模块传感器网络的迅猛发展，以其网络通信复杂度低、速率低、成本低、安全系数高以及全数字化性能等优点受到人们的普遍关注，它是一种近距离、功耗低双向无线通信技术，这一技术的应用前景非常好，未来发展空间很大，可用在家庭自动化、公寓楼宇自动化、校园无线定位、工业控制等诸多领域将成为ZigBee的主要应用领域。特别在一些旧楼宇的改造中消耗较小。嵌入在其他设备中，将Internet的协议标准与网络传感器网络的协议标准相互连通，使其和ZigBee协议无线传感器网络两者很好的兼容完美的结合在一起，从而扩大了人们感知世界的能力，展现了网络带给人们的功能强大。

1 ZigBee无线传感器网络系统结构

ZigBee是一种新型的低功耗无线传感器。它的结构相当于融合了一个增强型8051单片机模块和一个无线模块，它可以使数千个微小的无线传感器安全可靠实现无线通信。除了采用IEEE802.15标准外，自带的无线通信标准，使它本身较小的能量，可以以接力的方式把无线电波从一个ZigBee传感器数据传到另一个模块。ZigBee的通信效率非常高。校园管理监控无线传感器网络，在各管理监控区域设置了大量的微型传感器节点组成网络系统，通过接口端处理ZigBee协调各节点路由器通过协作感知和采集网络覆盖区域的信息，通过网络传感器传到手机或电脑，及时反馈给观察者。如果将其与我们工业用的以太网和GPRS/CDMA上行信道结合，而后与后台管理主站融合，有效的解决了远程管理问题。

ZigBee技术在IEEE802.15网络中，根据传感器节点数据处理、采集通信网络系统，可将通信能力分为FFD和RFD两类。全功能器件FFD设备之间相通，与同网络的任何设备通信，而且存储空间大，它是传感器中的主控制器，它除了完成自身的管理外，可用来协调处理和存放很大的路由信息，有分组转发功能和链路状态信息管理，它能可存在于任何拓扑结构中，主要能起到网关的作用。简化功能器件RFD，只能传送信息给FFD或从FFD接收信息，功耗低，内存较小，彼此间不能协调各网络，只能与FFD通信，可实现简单通信，多用于星型拓扑结构中，是最基本的传感器节点，将把捕获取得数据信息传递给功能器件RFD范围内的网关节点。

2 ZigBee无线传感器特点

ZigBee是一种无线通信技术，传输率最高达250kb/s、20kb/s和40kb/s，在10-75厘米的范围内可以继续增强速率。它主要特点是：

功耗低。因为ZigBee的传输速率低，功耗也比较低，ZigBee的突出优势是，在待机模式下，使用两节普通5号干电池可供ZigBee模块工作6个月到24个月左右的使用时间，或许更长。

安全性能高。采用了64位出厂代码和AES128加密算法、AccessControlList，ACL三级安全模式，难以解密，它对数据有完整性检查和检验功能，并且通过自动路由传输方式自动组网传输数据，信息传输的可靠性较高。

成本低、短时延。由于功耗和传输速率低，ZigBee协议简单，从休眠状态到工作状态一般通信时延在15秒左右，节点进入网络的时间在30秒，大大降低了电能，庞大的网络容量将若干个子节点空载在一个主节点上管理，在主节点内设有一层网络节点管理，能支持近66，000个网络节点。如果接入蓝牙只需8s，接入Wi-Fi只需要3s。

网络拓扑能力强。ZigBee协议为确保各设备间正常运行，自动分配IP地址，网络拓扑可分为星型、树型和网状型网络，一个节点可管理254个子节点，能自我重建无线网络，有效范围广，通过功放组建后可达到1，000m以上网络。

3 网络传感器硬件平台设计

为加强学校的管理和校园网络建设规划，通过技术升级和改造，以信息化和数字化为目标，利用无线传感技术和通信技术对校园环境进行管理，建立和完善了学校以教学管理为核心的系列化校园管理应用系统和服务体系建设，实施校园管理平台项目建设。具体包括：教务管理系统、实训基地运行管理平台、校企合作管理平台、学生管理系统、人事师资管理系统、资产管理系统、行政管理平台、综合管理系统等。先进数字化管理手段的运用，提高了学校管理效能。学校在电子商务专业运用HTML语言与三维建模技术结合建设一个包含制造类企业与销售类企业两大类型企业的电子商务竞争模拟系统；3D虚拟仿真实训系统等。

监控中心的整个网络由若干终端设备组成，网络管理数据监控中心由1台计算机和多个协调器组成，它是由多个ZigBee服务的FFD组成，对所有控制的子节点通信汇集数据、发布控制或起到通信路由的作用。配置的电源模块管理单元，通过传感器把无线通信模块与其他节点进行无线通信，进行收发采集数据和交换控制消息。通信设备节点设有FFD或RFD任选一种，在ZigBee节点中RFD相对简单，只实现一组最少的ZigBee服务。监控中心网络数据采集模块主要负责所监测区域内信息的采集；各种传感器可以把采集的信号转换为数字信号，并经过传输发送给微处理模块，一些附加功能要通过通用接口实现模块相分离，在实际应用中可根据需要添加不同类型的传感器。

智慧校园一卡通数据库对学校固定物资采购进行统一编码，上传数据结构定制，数据储存于数据库和数据中心。通过无线传感器网络对校园各监控设施信息数据采集、处理发送给云计算中心，管理者可通过中心传输过来的数据和人员动态，很好掌握校内管理运行情况。电源、嵌人式处理器、通信部件、感知部件、软件和存储器组成了一个无线传感器，设计传感器网络硬件主要包括，观察者、感知对象、传感器。传感器通过对外界信息的目标感知对象的信息采集，传送给无线传感器网络用户，经相互协调共同完成传感信息的接收。

4 无线传感器网络设计和应用

IEEE标准和ZigBee协议的无线传感器网络有三部分组成，分别是STIM、ZigBee和NCAP，目前有线TII接口已被IEEE结构模型的无线接口取代，在STIM和NCAP中嵌入ZigBee模块，采用ZigBee协议实现了STIM和NCAP之间的无线数据传输。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。

目前，数字化校园实现了480余点的IP网络视频监控系统，即时将校区及各区域重点部位的地理信息呈现在平安数字校园监控中心的电视墙上。管理者可通过校园安全管理综合监控系统，查看信息，也可增添位置传感器，扩充现有数字视频监控系统功能。对校园周边环境地理信息进行采集，并对监控中心温度、湿度等参数进行监控。同时增加对火灾、水灾的的集中监控和预防。实现固定资产设备的安全状态管理。

5 结束语

本文主要介绍ZigBee无线传感器网络设计在数据通信方面的应用，在不同模式网络协议下，使网络通信的互联互通，进而实现了以太网络与无线传感器网络系统的通信控制和信息交换功能，保证校园信管理更加规范。