基于ZigBee的自愈自組網(wǎng)的設(shè)計與應(yīng)用

摘要：ZigBee技術(shù)為低功耗、低成本、低復(fù)雜度、適中數(shù)據(jù)傳榆率和且具有自組織功能的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的組建提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。為了增強無線網(wǎng)絡(luò)在無人值守、遠程監(jiān)控等應(yīng)用中的穩(wěn)定性及智能化，本文在分析ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以及Z_Stack協(xié)議?；A(chǔ)上，研究了如何基于CC2530組建具有自組網(wǎng)、自愈特性的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，通過對無人值守的通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的遠程實時監(jiān)控的試驗，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)與自愈功能，增強了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性及智能化。
關(guān)鍵詞：ZigBee；自組網(wǎng)；Z_Stack；CC2530

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)是由分布在有效區(qū)域內(nèi)具有通訊功能的大量傳感器節(jié)點組成，通過無線方式自組織形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點采集信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)逐級傳送到監(jiān)控中。ZigBee是一種介于IEEE 802．11無線局域網(wǎng)與藍牙技術(shù)之間的無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是基于IEEE 802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、應(yīng)用和安全方面的通信技術(shù)。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低
復(fù)雜度、適中的數(shù)據(jù)傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術(shù)平臺。依據(jù)該平臺，客戶通過創(chuàng)造性的研發(fā)工作，根據(jù)具體任務(wù)要求設(shè)計硬件系統(tǒng)和配備相應(yīng)的軟件，就可以出色地完成很多任務(wù)。
本文采用集成了ZigBee技術(shù)和增強型8051內(nèi)核的SOC芯片CC2530，配合相應(yīng)的軟硬件，構(gòu)建了一個無線測控網(wǎng)絡(luò)。
該無線測控網(wǎng)絡(luò)克服了目前一般無線網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性差易崩潰的缺點，支持星型、樹型以及網(wǎng)狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除具有自組織功能外，還研發(fā)成功了自愈功能，對網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、健壯性以及提高工作效率都有重大的意義。
下面首先簡述ZigBee協(xié)議和Z_Stack協(xié)議棧，重點論述自組網(wǎng)的設(shè)計實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)自愈功能的研發(fā)與實現(xiàn)和該網(wǎng)絡(luò)的一個實際應(yīng)用例子：對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環(huán)境等參數(shù)的遠程實時監(jiān)控。

1 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
ZigBee協(xié)議體系由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務(wù)：
即由數(shù)據(jù)服務(wù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實體提供所有的其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過相應(yīng)的服務(wù)接入點(SAP)為其上層提供一個接口，每個服務(wù)接入點通過服務(wù)原語來完成所對應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議體系如圖1所示。

主要由應(yīng)用層(APL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、媒介訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)組成，其中媒介訪問控制層和物理層是由IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義的，ZigBee聯(lián)盟則定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。媒介訪問控制層負(fù)責(zé)所有的物理無線信道的訪問，并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供2個對等(peer to peer)MAC之間可靠的鏈路。網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和制造商所定義的應(yīng)用對象。
基于ZigBee協(xié)議應(yīng)用開發(fā)中，用戶只需實現(xiàn)應(yīng)用層框架即可，應(yīng)更多的關(guān)注應(yīng)用層框架(創(chuàng)造性發(fā)揮也在這一層)。APS主要用于維持綁定表、在綁定設(shè)備之間傳送消息。ZDO主要定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色(ZigBee協(xié)調(diào)器還是路由或者終端)，發(fā)起和響應(yīng)綁定請求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立安全機制等。
IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中定義了兩種設(shè)備類型，全功能設(shè)備(FYD)與精簡功能設(shè)備(RFD)。ZigBee協(xié)議也定義了這兩類設(shè)備，ZigBee協(xié)調(diào)器相當(dāng)于IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中的PAN協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器擁有IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中協(xié)調(diào)器的功能，ZigBee終端是網(wǎng)絡(luò)中最便宜的設(shè)備，擁有最少的功能。全功能設(shè)備(FFD)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中能完成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中任何功能，而精簡功能設(shè)備(RFD)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能作為終端，且只能與全功能設(shè)備(FTD)通信。全功能設(shè)備(FFD)與精簡功能設(shè)備(RFD)硬件配置是可以完全相同，但在軟件的配置上不同。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層決定，且必須是IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中定義的兩種類型之一：星型網(wǎng)絡(luò)和對等型網(wǎng)絡(luò)。在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)與路由數(shù)據(jù)的功能，終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器進行通信。在對等網(wǎng)絡(luò)中，所有的節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)都可以進行通信，所有的節(jié)點都參與數(shù)據(jù)傳遞。因此網(wǎng)絡(luò)能夠自組織以及通過多跳方式來進行通信(這也為實現(xiàn)自愈功能提供了必要的基礎(chǔ))。