基于ZigBee技术的无线网络应用研究

韩薇薇

（江苏联合职业技术学院扬州分院 江苏 扬州 225000）

0 引言

蓝牙作为无线网络技术的重要组成部分，与机械和工业控制的融合使其已经实现了自动化目标，但蓝牙在价格方面有着明显劣势，绝大部分企业不愿意用无线技术进行机械设备的自动化控制。ZigBee技术随着无线网络技术的持续发展逐渐在不同行业机械设备控制等方面广泛应用，其在运行功耗、数据传输速率和成本投入等方面优势十分明显。本质上是无线标记技术和蓝牙技术的结合产物，相较于单纯的蓝牙传输和Wi-Fi传输应用均有着巨大优势。本文基于ZigBee技术的无线网络应用研究，为今后ZigBee技术下的无线网络持续推广提供参考。

1 无线网络概述

1.1 体系结构

分布在检测区域内的微型传感器，利用无线通信方式逐一连接最终形成的网络就是无线传感器网络，检测区域内的各项信息均能够及时进行收集、处理、分类及储存，观察人员可以接受无线传感器网络对于客观世界有效感知。无线网络的结构组成示意图如图1所示，组成部分可以分为汇聚节点、互联网或卫星任务节点和传感器。分布在无线传感器网络中的各个节点能够有效感知网络区域覆盖的各项信息，并且能够全面摆脱时间和地点的限制进行信息的采集以及处理[1]。传感器之间的相关节点能够进行信息储存、传递，传感器采集到各项信息经过多次处理之后到达汇聚节点，随后进入互联网或卫星管理节点中。用户则可以针对管理节点中的各项数据进行全方位管理，位于监控区域信息在被传感器收集后同样会经过多个环节处理传输到卫星管理节点或网络体系中。用户针对分布在管理节点中的各项数据可以落实多元化管理，同时也可以进行信息发布或数据收集。

图1 无线网络结构组成示意图

1.2 特点

无线传感器网络通常均是利用区域内分布的微型传感器节点获得区域内部的各项数据信息，并且网络工作是以无线通信的方式进行，具备如下几项基本特点：第一，精度特点。这些密集分布的微型传感器也能够在区域内部进行密集检测或是针对近距离的目标进行监测，能够在有效感知信息的前提下，保障采集的数据具有较高的精度，这是单一传感器不具备的优势。第二，可靠性特征。如若无线监测区域的微型传感器节点在工作中出现了故障现象，故障节点的问题不会对其他节点的稳定运转产生明显影响，体现了无线传感器运转的稳定性优势。第三，经济特点。当下科技的迭代更新速度提升十分明显，卫星传感器节点的优势特征逐渐凸显，再加之数据传输环节中的无线传感器无须使用线缆等基础物质，成本投入明显下降[2]。

2 ZigBee无线网络技术分析

2.1 ZigBee协议栈

协议栈处于整个无线网络的核心位置，彼此之间保持关联的子层是其重要的组成部分，且彼此之间均可以提供上层需要的各种服务，数据传输可以借助数据实体实现，管理实体则是在其余工作中发挥作用[3]。服务实体和上层之间形成的服务接口就是服务器的入口。协议栈是由应用、物理、MAC及网络等层面组成。物理层在协议栈的运行环节中，管理的主要对象是数据传输，可以提供不同层次需要的服务。无线收发器的开关状态同样受到物理层的管理，可以借助实时检测能量及链路质量结合检测的数据结果选用合理的信道，在信道评估完全得到控制后，就可以发挥MAC媒体作用对接入层进行管控，用以发送、接受各种数据。MAC层则可以借助管理实体的服务接入点落实MAC层数据和本层管理实体的服务工作，基本的程序可以分为管理信标、接入信道等[4]。网络层则需要完成网络拓扑结构的组建，并开展相应的维护工作，同时也包括了数据的管理、关联任务的命名、地址的寻找及网络安全维护等。应用层则是无线网络最终应用的框架模型，通常负责会聚数据流及发现各种设备和业务。

2.2 无线网络设备和拓扑结构的组成

路由器、协调器和终端节点三者共同组建了无线网络，星状、网状、簇状是较为常见的3种类型的网络拓扑结构类型。以星状的网络拓扑结构发展看来，网络的建立和维护工作交由协调器负责，其余设备则是以终端设备的角色存在，且可以一对一地和个人局域网（personal area network，PAN）协调器实时通信。如若网络拓扑结构选择簇状，在完成网络建设工作后，协调器需要确定网络ID及信道的参数数据，路由器则需要持续将网络的覆盖范围进行拓展，数据的发送以层次路由作为媒介。

2.3 ZigBee无线网络技术

ZigBee无线网络的建设及作用发挥是以网络地址分配作为前提条件，这也是有效维护地址唯一性的有效方法。因此，相关人员为了保障主设备和子设备之间的通信顺畅，必须要关注寻址方式合理的选择。ZigBee无线网络在数据传输工作中，常见的方式以单点、间接和广播发送为主。应用层在将网络世界中的数据包发放给不同设备时，通常会选择网络发送的方式，设置目标地址的方法均是以广播地址模式设置为主。ZigBee无线网络的路由协议是以，无线自组网按需平面距离向量路由协议（ad hoc ondemand distance vector routing，AODV）的专用路由器为媒介进行网络连接，同时在经过简化处理之后，网络层可以借助该协议将路由器接收的单点发送数据直接进行传输。如果目标的节点是相邻的路由器，则可以直接将信发送到目标设备当中，在寻找路径的过程中，数据包通常会在缓冲区域中有效储存，直到完成路径寻找为止。在此之后，ZigBee无线网络需要在不同的网络设备之间建立一个路径，并且任何路由器均可以发现和选择这一路径。实际上，这是发现和选择原地址与目标地址之间全部路径，并最终确定最佳的路径过程。

2.4 ZigBee传感器网络

传感器网络是以通信方法联合区域内部的卫星传感器所形成的自助式网络，即便部分节点出现了损坏或者是网络结构出现变化，网络结构也能够及时进行调整，以此维护稳定的通信。ZigBee传感器网络结构组成示意图如图2所示，在监控区域内部分布的传感器节点，在采集完成各项环境数据信息之后，可以顺着终端以及路由器节点逐级进行传输，最终可以通过网关传输到外部网络中。

图2 ZigBee传感器网络结构组成示意图

传感器节点作为传感器网络组成的基本单元，通常可以分为功能控制、无线通信和能量供应等多个模块，功能模块需要在数据信息采集工作基本完成后，针对各项信息实施数模转化，控制模块则是在数据的储存、同步转发及网络管理工作方面负有主要的职责。传感器网络分布的无线通信功能模块需要维持和网络中其他路由器的交流，负责储存、传输各项数据，无线通信模块则是要与不同的路由器进行通信，能量供应则是提供不同功能模块运行需要的各种能量，具体的传感器节点结构组成示意图如图3所示。

图3 传感器节点结构组成示意图

在传感器网络中，有效连接传感器和网关的纽带就是协调器，不仅能够有效地传递上层下发的各种指令，并且获取的相关数据，也能够及时上传到网关中。网关可以同步转发数据及进行网络管理，数据服务器则能够用于监控并对传感器的网络进行管理。

3 ZigBee技术和蓝牙、Wi-Fi相比的应用优势

随着技术的持续发展，ZigBee技术不仅拥有了蓝牙在传输方面的固定优势，并且该项技术是以低传输速率为基础形成的传输技术，能耗投入进一步下降，意味着该项技术能够在无法频繁更换电池的设备中长时间使用，确保信息传递时间能够有效延长，诸如玩具、部分特殊的工程用具和老年人的万能遥控器等均可以利用ZigBee技术，在有效削减电能成本的同时，保障技术应用范围不断扩张。即便蓝牙技术有着广泛的应用范围，但绝大部分均是替代有线和无线暂时进行应用的一项技术，因为其能耗和设备成本投入相对较高，在部分价格便宜的设备中不具备任何的竞争优势。此外，蓝牙设备的技术发展已经逐渐成熟，其发展潜力也已经基本挖掘完毕，即使对其基础框架再次进行优化也无法得到有效改变。

ZigBee技术和Wi-Fi技术之间的关系并非绝对性的替代关系，二者是一种针对共生的发展倾向。从技术领域来看，ZigBee及Wi-Fi这2项技术均是短距离数据传输技术的代表性成果[5]。固定电源的应用可以全面缓解Wi-Fi技术应用中出现的能耗水平较低的问题，Wi-Fi技术在数据的传输范围、速度方面的提升目标可以借助大功率设备实现。即便ZigBee技术在数据传输的速度、范围方面与Wi-Fi技术相比不具备明显优势，但在技术针对性应用方面的优势体现却十分明显。ZigBee技术在功耗容量、成本等方面有着明显优势，仅需要2节最为普通的5号电池就能够维持信号传输2年的续航要求，意味着ZigBee技术在小功率、小电量领域有着巨大的应用空间。同时，ZigBee技术反应时间相对较短，一般反应时间为15 ms，在实际使用环境中的适用性更强。

4 基于ZigBee技术的无线网络应用

4.1 监测监控系统

在无线监测监控系统中，基于ZigBee技术的无线网络应用相对较为广泛，相关人员可以借助层次化的网络建立包括路由器、协调器、无线传感器和监控主机在内的监测监控系统硬件平台，随后利用无线网络针对不同设备进行连接。系统中心可以借助无线终端设备对于各项监控监测设备的数据信息实时获取，并且协调机构可以将其发送到监控中心。监控中心可以使用无线网络将指令发送到对应的目标终端设备中，终端设备可以借助整个网络环境中分布的传感器采集周边环境中需要的各项数据信息，并在数模转换处理之后，由处理器进行数据处理，将其转化为射频模块，最终发送到路由器，由路由器将射频模块发送到监控中心。这一监测监控系统通常均会使用1个以ZigBee技术的无线网络射频芯片或其他形式的无线模块，能够借助路由器与单片机主机和各个监控节点有效连接，配合软件和系统的设计、调整，使得数据信息类型差异对信息交换的影响明显降低。立足设备的应用层面，FFD设备一般扮演的是网络覆盖范围内无线网络协调器角色，分布在大范围内各项设备的通信条件得到明显改善，RFD则是其余设备的首选型号，由其与中心节点进行连接，无线网络的使用范围也可以灵活地进行调整和布置。

4.2 自动控制系统

基于ZigBee技术的无线网络在工业控制领域的应用相对较为广泛，并成为当下自动控制系统中的主要网络连接技术。以ZigBee技术的无线网络应用形成的自动控制系统一般可以分为发射、接收和电源3个重要模块。其中的发射模块主要包括了ZigBee主控芯片、协调机芯片和通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）模块，接收模块具体包括了射频芯片，D/A转换器芯片，V/I转换电路以及单片机，接收模块完全可以利用转换器和单片机接口进行连接，随后将接收到的数据信号由转换电路转变为电流信号。在设计电源模块时，相关人员需要综合考虑电磁兼容问题，应该在降低环路电阻数量的同时，提高整个线路的抗噪声能力，不同模块需要设计与之相对应的软件程序，用于驱动设备完成对应的指令。自动控制系统在当下的农业、工业，城市管理等领域应用十分广泛。无线传感器和ZigBee技术为基础的射频芯片组成的无线数据通信模块，可以在彼此联系的前提下，对于无线传感器的芯片信息进行发送和接收，为人们的生产以及日常生活带来了较大便利。

4.3 定位系统

有关定位系统中的ZigBee技术支持下的无线网络应用，可以借用ZigBee技术为基石的无线模块及CMOS芯片控制器完成硬件结构的设计工作，且无须添加过多的零散元件，就可以拥有较为明显的干扰抵抗能力。如若定位信号处在2.4 GH又或者是ISM频段，信号的传输精准性提升十分明显。在定位系统中，无线网络内部形成的射频及基带可以有效发送、接收信息，射频模块主要提供信息传输必要的网络接口，基带主要是针对信号的类型差别实施分类处理、储存，这些经过妥善处理之后的信号可以通过A/D转换器得以暂时在缓存中储存。

5 总结

总而言之，与蓝牙和Wi-Fi技术相比，ZigBee技术有着明显应用优势，最为常见的监测监控系统、自动控制系统和定位系统中，均分布着ZigBee技术的无线网络技术，实现了各项数据的精准收集、传递及输送。随着我国现代科学技术的发展，ZigBee技术种类也会不断革新，能够以更低的能耗水平进行大量信息传输，为人们的生产、生活提供巨大便利。