摘要：通過對新型、開放的無線互聯技術Zigbee技術的分析；結合傳感器技術、Zigbee、IEEE1451.2技術、路由協議，構建了一種無線傳感器網絡。分析討論了基于“燃氣表數據無線傳輸系統”的無線傳感器結構和無線傳感器網絡的實現。
　　
　　隨著MEMS技術和無線通訊技術、傳感器技術的發展，無線傳感器網絡在軍事、生產、生活、醫療、科研中有了更廣泛的應用范圍。就其功能而言，可以把它分成智能傳感器部分和無線通訊部分。智能傳感器部分可根據具體情況由不同的硬件組成，同時IEEE組織提出了IEEE1451.2的智能傳感器接口協議。無線通訊部分實現的方法，不外乎利用已有的IEEE802.11D、IEEE802.15.1（藍牙）、IEEE802.15.4（Zigbee）等無線通訊技術；其中IEEE802.11D相對于其它2個標準來說，主要用于海量數據、高帶寬傳輸，但不太適合傳感器數據的傳輸。Zigbee和藍牙相比zui大的不同在于：1）極低的功耗，使用壽命和整個傳感器一樣長，無需更換電池；2）靈活的組網方式，可直接組成各種網絡拓撲形式；3）傳感器器件不和網絡通信時，處于休眠狀態，通信前須將其喚醒。所以Zigbee是一種低成本、低功耗、低復雜度的無線技術，Zigbee技術相對于藍牙更適合構建無線傳感器網絡。
　　
　　1、Zigbee技術及其優勢
　　
　　1.1Zigbee技術概述
　　
　　ZigbeeProtocoIStack體系結構如圖1所示，它主要有5層體系組成。由Zigbee聯盟與IEEE802.15.4的任務小組來共同擔任標準的制定。其中物理層、MAC層標準主要由IEEE802.15.4的任務小組完成。
　　
　　而數據鏈路接層，以及傳輸過程中的網絡層、還有與用戶的接口是由Zigbee聯盟主導。　　　　
　　Zigbee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。Zigbee的PHY層中接取方式是采用直接序列擴展頻率技術（DirectSeguenceSpreadSpectrum），它存在如下優點：1）擴頻信號具有好的隱蔽性。擴頻信號的頻譜被擴散到很寬的頻帶內，相對而言，其功率譜密度也隨之降低（可明顯低于環境噪聲和干擾電平），難以檢測，因而擴頻信號具有隱蔽性。2）擴頻信號具有保密性。擴頻信號受特定偽隨機序列控制，接受者如不能按此偽隨機序列的規律進行解擴，就不能恢復消耗中傳送的信息，因而擴頻信號具有保密性。3）擴頻信號具有很強的抗干擾性。4）提高系統容量。
　　
　　在擴頻系統中，由于使用多個偽隨機序列作為不同用戶的地址碼，這樣可以共用一個頻段來實現碼分多址，這樣可以共用一個頻段來實現碼分多址通訊。同時IEEE802.l5.4協議中定義了2種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數，僅為藍牙的1/3.而對簡化功能器件，在zui小配置時只要求它支持3S個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通訊，有3種工作方式，即用作網絡協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。IEEES02.15.4協議提供了3種數據傳輸方式：直接數據傳輸、間接數據傳輸、有保證時隙（GTS）數據傳輸。
　　
　　1.2Zigbee技術的主要優點
　　
　　1）省電。由于工作周期很短、收發信息功耗較低、并且采用了休眠模式，Zigbee技術可以確保2節五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，當然不同的應用功耗是不同的。
　　
　　2）可靠。采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了*確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。
　　
　　3）成本低。模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且Zigbee協議是免費的。
　　
　　4）時延短。針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms.
　　
　　5）網絡容量大。一個ZigBee網絡可以容納zui多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在zui多100個ZigBee網絡。
　　
　　6）安全。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-12S，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。
　　
　　由于無線傳感器網絡本身要求節點密集、節能、方便路由等技術特點，可以看出應用ZigBee技術作無線傳感器節點的無線通訊是可能的。
　　
　　2、無線傳感器網絡的實現
　　
　　2.1無線傳感器的構建
　　
　　通過上述的描述，利用ZigBee技術和IEEE1451.2協議來構建的無線傳感器，其基本結構如圖2所示：　　　　
　　STIM部分包括傳感器、放大濾波電路、A/D轉換；TII部分主要由控制單元組成；NCAP負責通訊。“燃氣表數據無線傳輸系統”項目中實現了無線燃氣表傳感器的設計（如圖3所示）：STIM選用“CG-L-J2.5/4D型號”的燃氣表；TII選用ATMEL公司的S0C51，S位CPU;NCAP選用赫立訊公司IP·Link1000-B無線模塊。在此方案中，燃氣表的數據為已經處理好的數據。由于燃氣表數據為一個月抄一次，所以在設計的過程中不用沒有考慮數據的實時性問題。IP·Link1000-B模塊為赫立訊公司為ZigBee技術而開發的一款無線通訊模塊，其主要特點如下：支持多達40個網絡節點的鏈接方式；300MHZ到1000MHZ的無線收發器；率發射、高靈敏度接受；多達76.Skbit/s的無線數據速率；IEEES02.15.4標準兼容產品；內置高性能微處理器；具有2個UART接口；10bit、23K采樣率ADC接口；微功耗待機模式，這樣為無線傳感器網絡中降低功率損耗提供了一種靈活的電源管理方案。　　　　
　　存儲芯片選用有64KBytes的存儲空間的ATEML公司24C512EEPROM芯片；按一戶需要SBYTES的信息量計算，可以存儲S000多個用戶的海量信息，對一個小區*夠用。
　　
　　所有芯片選用3.3V的低壓芯片，可以降低設備的能源消耗。
　　
　　在無線傳輸中數據結構的表示是一個關鍵的部分，它往往可以決定設備的主要使用性能；在這里把它設計成以下結構：
　　
　　數據頭：3Bytes固定為：“AAAAAA”。
　　
　　命令字：1Byte具體的命令。
　　
　　（01-發送數據；02-接受數據；03-進入休眠；04-喚醒休眠）數據長度：1Byte為后面“數據”長度的字節數。　　
　　數據：0~20Bytes為具體的有效數據。
　　
　　CRC校檢：2Bytes是從命令字到數據的所有數據進行校檢。
　　
　　在完整接受到以上格式的數據后，通過CRC校檢來完成對數據是否正確進行判讀，這在無線通訊中是十分必要的。
　　　　
　　IEEE802.15.4提供了3種有效的網絡結構（樹型、孔型、星型）和3種器件工作模式（協調器、全功能模式、簡化功能模式），如圖5所示。簡化功能模式只能作為終端無線傳感器節點，全功能模式既可以作為終端傳感器節點，也可以作為路由節點，協調器只能作為路由節點。　　　　
　　這樣無線傳感器網絡可以大致組成3種基本的拓撲結構。1）基于星型的拓撲結構，它具有天然的分布式處理能力，星型中的路由節點就是分布式處理中心，即它具有路由功能，也有一定的數據處理和融合的能力，每個終端無線傳感器節點都把數據傳給其所在拓撲的路由節點，在路由節點完成數據簡單、有效的融合，然后對處理后的數據進行轉發。考慮到路由節點的功能和通訊的頻率相對終端傳感器節點較多，一般其功耗也較大，所以其電源容量也較終端傳感器節點電源的容量大，可考慮為大容量電池或太陽能電源。2）基于孔狀的拓撲結構，這種結構無線傳感器網絡連成一張網，網絡非常健壯，伸縮性好，在個別鏈路和傳感器節點發生失效時，不會引起網絡分立。可以同時通過多條路由通道傳輸數據，傳輸可靠性非常高。3）基于樹型的拓撲結構，在這種結構下傳感器節點被串聯在一條或多條鏈上，鏈尾與終端傳感器節點相連。這種方案在中間節點失效的情況下，會使其某些終端節點失去連接。
　　
　　“燃氣表數據無線傳輸系統”項目中采用的星型拓撲結構，主要因為其結構簡單，實現方便，不需要大量的協調器節點，降低了成本。每個終端無線傳感器節點為每家的氣表（平時無線通訊模塊為掉電方式，通過路由節點來激活），手持式接受機為移動的路由節點。
　　
　　整個網絡的建立是隨機的、臨時的；當手持接收機在小區里移動時，通過發出激活命令來激活所有能激活的節點，來臨時的建立一個星型的網絡；其網絡建立及數據流的傳輸過程如以下流程：
　　
　　1）路由節點發出激活命令；2）終端無線傳感器節點被激活；3）在每個終端無線傳感器節點分別延長不同隨機數倍的固定時間段后，節點通知路由節點自己被激活；4）路由節點建立激活終端無線傳感器節點表；5）路由節點通過此表對激活節點進行點名通訊，直到表中的節點數據全部下載完成；6）重復1）~5），直到小區中所有終端節點數據下載完成。
　　
　　這樣當一個移動接收機在小區里移動時，可以通過動態地組網把小區里用戶燃氣信息下載到接收機中，再將接受機中的數據拿到處理中心去集中處理。通過以上步驟建立的通訊，在小區實際無線抄表中得到了很好的應用。
　　
　　3、結束語
　　
　　“燃氣表數據無線傳輸系統”項目情況中，對采集數據的實時性要求不高，數據也沒做任何的處理，只是簡單的存儲、轉發。而實際在軍事應用中，無線傳感器網絡的情況就復雜的多。例如，空投一批無線傳感器到敵方陣地，希望組成一個網絡定期或不定期的發送數據時就必須考慮以下問題［5-6］：1）在終端傳感器數目確定的情況下，怎樣確定路由節點的數據來保證網絡必要的服務質量；以及在明確路由節點的數目后，如何考慮終端傳感器節點的數目來提高網絡的利用率；2）網絡的路由如何確定才能使得網絡通訊*和電源管理*；3）網絡的拓撲結構如何選擇；4）數據的融合策略是什么；5）終端傳感器節點間數據的同步問題；6）網絡中傳感器節點的定位等等。這些問題都值得在下一步工作中做進一步的研究。
　　
　　在“燃氣表數據無線傳輸系統”中，應用Zigbee技術來構建無線傳感器網絡，并利用星型拓撲結構組成無線網絡，很好的實現了設計目標，為構建無線傳感器網絡上提出了一個好的解決方法。國外已經有了這方面的應用。可以預見隨著微電子技術、Zigbee技術、網絡技術、電源技術的發展，傳感器與Zigbee技術的融合將進一步緊密。