基于ZigBee技术的无线传感器网络的应用研究

摘要：随着信息技术的不断发展，无线传感器网络作为一种重要的物联网技术，正逐渐被应用于人们的生活中。文章详细介绍了ZigBee协议和数据安全加密技术在无线传感器网络中的重要作用，分析了无线传感器网络系统的总体构架，包括传感器节点、路由节点和ZigBee网关等组成部分。通过具体的应用场景，如智能家居、医疗护理和目标追踪定位，总结了无线传感器网络在实际生活中的广泛应用前景。文章旨在帮助研究人员了解无线传感器网络技术及其应用领域，并为在相关领域研究中提供了新的思路和解决方案。

关键词：ZigBee技术；物联网；传感器；无线通信

中图分类号：TN92；TP212.9文献标志码：A

0 引言

无线传感器网络是一种多学科交叉的多跳自组织网络系统，其被广泛应用于各个领域。无线传感器网络的节点功能多元，可监测多种环境信息，如温度、气压、气体浓度等。此外，低功耗、低成本的特点使其适用于无人值守的环境。通过无线传感器网络的应用，用户可以实时采集监测区域的环境数据，对终端设备进行智能控制，提高了用户管理的便利性。

1 无线传感器网络的核心技术分析

1.1 ZigBee协议

ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准的一种无线传输协议，其优点在于低功耗、低速率和低成本，因此适用于物联网等应用场景。ZigBee协议支持多种拓扑结构的网络，如星型、树型、网状型等，具有很强的自组织能力，能够自动调整网络拓扑结构以适应网络中节点的变化。另外，ZigBee协议的数据传输距离较远，能够满足家庭智能化应用的要求。

1.2 数据安全加密技术

数据安全加密技术在无线传感器网络中起到重要作用，确保用户隐私数据的安全性。根据加密算法、密钥长度以及密钥管理方式的不同，数据安全加密技术可被划分为2种类型：一种是以AES为代表的对称加密算法；另一种是以RSA为代表的非对称加密算法。2种数据安全加密技术具有不同的特点和适用范围［1］。由于AES加密算法具有高效性、高安全性等优点，因此基于128位的AES加密算法是目前应用最为广泛的数据传输加密方案。

2 无线传感器网络系统总体构架

无线传感器网络系统通常由传感器节点、路由节点、ZigBee网关、控制中心4个主要部分组成，组成结构如图1所示。这4个部分相互协作，构建起无线传感器网络系统的整体架构，从而实现对环境信息的实时监测、传输和智能化管理。

2.1 传感器节点

传感器节点主要负责监测区域内数据的采集和处理。传感器节点主要包括软件系统、传感器模块、微控制器模块、无线通信模块和能量供应模块5个部分，如图2所示。

2.1.1 传感器模块

传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集，其类型的选择取决于被监测的物理信号的形式；AD/DA模块则负责将采集的数据进行信号类型的转换，以满足传感器数据与微控制器之间的接口要求。

传感器模块通常用于采集监测区域的各种环境数据，包括温度、湿度、光照、气体浓度等多种数据。其中，传感器模块的选择直接影响数据采集的精度和稳定性，目前使用较多的有DHT22温湿度传感器、BH1750光照传感器和MQ-2气体传感器等。

2.1.2 微控制器模块

微控制器模块是传感器节点的核心控制模块，包含处理器和存储器，主要负责数据处理和存储。例如，STM32F103C8T6单片机作为微控制器模块，常用的硬件资源是72 MHz主频、64 KB闪存、20 KB RAM等，并且支持多种外设接口，包括SPI、I2C、USART等。

微控制器模块采用裸机编程方式，通过GPIO口、外部中断、定时器等方式实现传感器模块和无线通信模块的控制和通信。实现过程包括：微控制器模块读取传感器模块采集的数据，并进行校验和处理；微控制器模块通过无线通信模块将处理后的数据发送至协调器节点；微控制器模块定时更新实时时钟、检测传感器节点状态等。

2.1.3 无线通信模块

无线通信模块是传感器节点与其他节点之间的通信桥梁，负责交换控制信息和收发采集数据。由于数据传输通常占据节点总能耗的大部分，因此在系统实际开发中，研究人员通常采用短距离、低功耗的无线通信模块。例如：基于CC2530芯片的ZigBee无线通信模块具有良好的兼容性和稳定性，能够有效地支持ZigBee协议的无线通信。

无线通信模块通过UART接口与微控制器模块通信，实现数据的发送和接收。在数据发送过程中，无线通信模块通过无线信道将数据发送至协调器节点，并支持广播和单播方式。在接收数据时，无线通信模块从信道中接收数据，并通过UART接口传输给微控制器模块进行处理和存储。

2.2 路由节点

路由节点的功能主要包括数据中继、网络维护和路径选择等。通过强大的数据中继能力，路由节点有助于将数据传输至目标节点；同时，其负责维护网络拓扑结构，以确保网络的稳定性和可靠性。此外，路由节点会根据网络拓扑和数据传输需求，选择最合适的路径进行数据传输，以确保网络的高效运行。

2.3 ZigBee网关

网关是ZigBee无线传感器网络中的重要设备，主要承担协调器的职能。网关设备负责管理和组建整个网络，包括地址分配、身份认证等，并且需要协调和处理传感器节点发送的采集数据。

当涉及不同协议间的设备通信时，网关设备能够连接并转换不同通信协议的网络，实现不同通信协议网络之间的通信和数据交换。ZigBee网络中的网关支持多种通信协议，能够与不同设备进行通信和集成。例如：处于工作状态的传感器采集节点会将节点地址信息和采集区域内的监测数据打包成ZigBee数据帧，发送给网关。接着网关通过ZigBee协议栈的解封装，获得原始数据并进行处理。随后系统网关节点通过 TCP/IP 协议与服务器进行通信，实现网关与互联网的连接［2］。

3 无线传感器网络的应用实现

无线传感器网络应用的实现主要体现在其组网的过程，包括节点初始化、信道扫描、网络编号设置、节点加入等步骤。这一过程实现了网络的建立和拓展，为环境数据的采集、传输和智能控制奠定了基础，进而支持了智能家居、环境监测等功能的实现。

ZigBee无线传感器网络组网的具体流程如下。（1）信道扫描与路径选择：协调器节点上电激活后，对可用的信道进行扫描，并选择干扰最小的信道作为通信路径。（2）初始化网络编号：协调器节点在选定通信路径后，会初始化一个唯一的网络编号（PANID），并通过广播形式发送信标帧。（3）终端节点加入网络：系统终端节点上电后会主动搜索周围网络中的信标帧，当检测到协调器节点发送的信标帧时，终端节点会向协调器节点发送入网请求。（4）协调器处理入网请求：协调器节点接收到入网请求后，会检查当前网络中的地址资源是否充足。如果资源足够，协调器会为终端节点分配一个16 Bit的短地址，并向其发送连接成功的响应帧。（5）终端节点加入确认：终端节点接收到连接成功的响应帧后，即成功加入网络。如未成功，终端节点则会重复上述流程，直至成功加入［3］。

4 无线传感器网络的应用场景

4.1 智能家居

近年来，随着智能家居全球化的加速发展，人们对日常生活的智能化水平的要求越来越高，目前的智能家居拥有更大范围的控制功能，包括智能分析判断、人机智能对话等。例如：基于ZigBee无线传感器网络的智能家居相较于传统智能家居设备，在管理过程中的安全性、便利性、高效性等方面具有革命性的进步与提升。通过在家电中嵌入传感器节点，系统能够将屋内所有的设备互联，组成小型的传感器网络，为人们提供更加舒适方便的智能家居环境［4］。

在智能家居场景下，用户可以通过手机App实现家居设备的远程控制功能，包括照明控制、温度控制、安防监控等。在具体的实现过程中，传感器节点实时采集家庭中的环境数据，并通过无线通信的方式，将采集到的数据传输至控制中心节点进行处理和分析，控制中心节点根据分析结果自动控制家居设备的开关，实现了家居设备的智能化控制。

4.2 医疗护理

目前，传统医疗护理体系存在结构复杂、操作烦琐的问题，许多环节仍需人工操作。如何搭建有效的医疗护理系统以及设计适合采集人体健康数据的传感节点，是当前研究人员面临的主要挑战。为解决以上问题，研究人员应用ZigBee无线传感器网络进行建立与设计。研究人员将传感器节点安装在病人的体内，节点实时向医护人员汇报病人的身体状况信息，帮助医护人员远程诊断，并采取对应的医疗措施。这种应用能够有效降低医疗成本，解决地区间医疗资源匮乏等问题，在城乡医疗护理建设发展过程中发挥着重要作用。

4.3 目标追踪定位

通过在目标周围部署传感器节点，无线传感器网络能够实现对目标的实时监测、追踪和定位。这些传感器节点可以收集目标的位置、速度、方向等信息，并通过网络传输至中心节点或监控中心进行处理和分析。在军事领域，无线传感器网络通常用于敌方目标的侦察、监视和追踪，为作战指挥提供重要情报支持。在安防领域，人们可以利用无线传感器网络实现对物品、车辆或人员的监控和追踪，以提高目标的安全性和防范能力。此外，无线传感器网络还可应用于物流领域，实现货物的实时追踪和管理，提高物流运输效率。

5 结语

该研究通过对ZigBee协议、数据安全加密算法等核心技术的总结分析，结合无线传感器网络的体系结构和实现流程，深入探讨了其在智能家居、医疗护理和目标追踪定位等领域的应用。目前，无线传感器网络系统能够实现数据的高效采集、传输和智能控制，为提升生活质量和解决实际问题提供了新的思路和解决方案。未来，随着技术的不断创新和应用场景的扩展，基于ZigBee技术的无线传感器网络将在更多领域中发挥重要作用，推动相关行业智能化和自动化的发展进程。

参考文献

［1］李昭容.数据加密技术在计算机网络安全中的应用研究［J］.信息与电脑（理论版），2023（15）：13-16.

［2］刘基成，田祎然，李国锋.基于ZigBee的嵌入式智能家居网关设计［J］.电子制作，2023（22）：100-103.

［3］刘俊康.基于ZigBee的智能医疗监护系统关键技术研究［D］.武汉：中南民族大学，2021.

［4］林婷婷，樊森，张新英.基于ZigBee的智能家居公共安全系统控制平台研究［J］.机械工程与自动化，2023（4）：36-38.

Research on application of wireless sensor network based on ZigBee technology

Abstract：With the continuous development of information technology， wireless sensor networks， as an important Internet of Things technology， are gradually being applied to people’s lives. This paper introduces the important role of ZigBee protocol and data security encryption technology in wireless sensor networks in detail， and analyses the overall architecture of the wireless sensor network system， including components such as sensor nodes， routing nodes and ZigBee gateways. The prospect of wireless sensor networks for a wide range of applications in real life is summarized through specific application scenarios， such as smart home， medical care and target tracking and positioning. This paper aims to help researchers understand wireless sensor network technology and its application areas， and to provide new ideas and solutions in related research fields.

Key words： ZigBee technology; Internet of Things; transducers; wireless communications