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zigbee協(xié)議范文第1篇

關(guān)鍵詞：zigbee協(xié)議；無線傳感器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

作為互聯(lián)在形式上面的擴(kuò)展，其主要發(fā)展的主要技術(shù)分別是：傳感器、嵌入式自動化只能技術(shù)、RFID以及納米技術(shù)。而作為物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中一項關(guān)鍵性的技術(shù)――無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對其的研究已經(jīng)逐步成為了目前計算機(jī)領(lǐng)域當(dāng)中的一個熱點(diǎn)，它不僅在生產(chǎn)生活，還是在醫(yī)學(xué)軍事方面的應(yīng)用都相當(dāng)?shù)膹V闊。但是隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，目前各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都是如雨后春筍板出現(xiàn)，這樣一來就不利于各個網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)以及網(wǎng)絡(luò)之間的管理。

ZigBee協(xié)議的出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)直接的節(jié)點(diǎn)互聯(lián)以及網(wǎng)絡(luò)之間的管理，有效的解決了網(wǎng)絡(luò)拓展之間存在的問題。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簡介

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域或者是區(qū)內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)的所有者。它綜合了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方方面面，并通過了無線網(wǎng)的傳感實(shí)現(xiàn)了無處不在的運(yùn)算理念。圖1為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

由于傳感器一般情況下都是嵌入到各個電子設(shè)備當(dāng)中，外加監(jiān)測區(qū)域環(huán)境往往比較復(fù)雜，傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)非常多，導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)十分麻煩甚至就是不能進(jìn)行維護(hù)。因此，導(dǎo)對于無線傳感器的設(shè)計要做到網(wǎng)絡(luò)容量要大，傳感器體積小，消耗低等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，并且還要加強(qiáng)無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)安全，在無線信道上分布式的控制傳感器所受到的攻擊。

2 Zigbee協(xié)議概述

Zigbee協(xié)議是在無線網(wǎng)基礎(chǔ)上延伸出來的一種網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議，Zigbee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其具有復(fù)雜程度低、距離近、功耗低、成本低、低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)。其不僅可以適用于各種自動控制以及遠(yuǎn)程控制當(dāng)中，還可以嵌入到不同的設(shè)備中去，強(qiáng)大了網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。Zigbee的發(fā)射速率是10～250KB/s，延時時間在15～30ms之間，通訊的有效范圍是10～75m，工作頻率是2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），單個的Zigbee可支持255個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)插入。

2.1 Zigbee協(xié)議棧簡介

一個完整的Zigbee協(xié)議是從下而上依次由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層和應(yīng)用層五個層面組成。其中應(yīng)用層是面對各種不用應(yīng)用型業(yè)務(wù)的最高層用戶；應(yīng)用匯聚層主要的工作是將不用的應(yīng)用需求反饋到Zigbee網(wǎng)絡(luò)層上；網(wǎng)絡(luò)層主要是功能層針對一些網(wǎng)絡(luò)問題進(jìn)行MAC、拓?fù)洹踩鹊裙芾?；?shù)據(jù)鏈路層又分為LLC和MAC，對輸送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行一個邏輯的分析建立，以保證數(shù)據(jù)管理的正常運(yùn)行。

2.2 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee技術(shù)目前支持3中通訊技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其中包括星形（Star）、網(wǎng)狀（Mesh）和樹狀（Cluster Tree）。Star網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種被常用于長期操作當(dāng)中的網(wǎng)絡(luò)；Mesh網(wǎng)絡(luò)則是一種高檢測性的網(wǎng)絡(luò)，其可以通過無線網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)通道互聯(lián)的效果，減少故障的發(fā)生，提高數(shù)據(jù)通道的安全性能；Cluster Tree網(wǎng)絡(luò)是結(jié)合了Star網(wǎng)絡(luò)與Mesh網(wǎng)絡(luò)兩者的優(yōu)點(diǎn)，所拓?fù)涑鰜淼囊环N網(wǎng)絡(luò)模式。

3 Zigbee技術(shù)的應(yīng)用

Zigbee技術(shù)的發(fā)展應(yīng)該根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)當(dāng)中所存在問題而進(jìn)行推廣，以彌補(bǔ)其他無線網(wǎng)技術(shù)的短距離、傳送數(shù)據(jù)少、傳送速率低等缺點(diǎn)，做到低成本、大容量、功耗低、智能化強(qiáng)的特點(diǎn)，以完善傳感器領(lǐng)域的空白作用。

Zigbee技術(shù)的開發(fā)是一項工作較為復(fù)雜的技術(shù)工程，其涉及到的技術(shù)不僅有網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域當(dāng)中的傳輸、射頻等技術(shù)，還涉及到了底層軟件硬件控制等技術(shù)。在對Zigbee技術(shù)進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)時，主要也就考慮到網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)以及相適應(yīng)的功能型軟件。目前，在科研人員的努力之下在硬件上已經(jīng)將Zigbee技術(shù)應(yīng)用到了射頻芯片等，這些高科技含量的硬件設(shè)施降低了開發(fā)者的設(shè)計要求，只需要在其中加入一些元件就可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，在加上Zigbee相關(guān)軟件的開發(fā)利用，加速了Zigbee系統(tǒng)的設(shè)計，已經(jīng)進(jìn)一步的簡化了用戶命令接口，普通的用戶只要使用一些簡單的命令，就可以實(shí)現(xiàn)Zigbee的網(wǎng)絡(luò)控制。

Zigbee是一項新的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)還待于完善，也正是如此Zigbee技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也受到了一定的阻礙。但是不管如何在標(biāo)準(zhǔn)化來臨之前，這是一個技術(shù)發(fā)展的趨勢，象征著網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)時代的真正到來，只有逐步完善無線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，才可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無處不在的理想。目前隨著Zigbee組織的聯(lián)盟，更加加速了IT技術(shù)的發(fā)展，Zigbee技術(shù)也會將變得越來越可靠靈活。

[參考文獻(xiàn)]

zigbee協(xié)議范文第2篇

關(guān)鍵詞：無線體域網(wǎng)；ZigBee；NS2；時延；丟包率

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0044-03

0 引 言

無線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network，WBAN）又稱體域傳感網(wǎng)（Body Area Sensor Networks，BASN），它是以人體為中心的通信網(wǎng)絡(luò)，是由分布于人體表面和人體內(nèi)部的傳感器和組網(wǎng)設(shè)備以及與人體有關(guān)的網(wǎng)絡(luò)元素構(gòu)成[1]。WBAN隨著醫(yī)療健康領(lǐng)域的飛速發(fā)展以及市場的巨大需求，越來越受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的青睞。

WBAN的業(yè)務(wù)種類異構(gòu)，普通業(yè)務(wù)、緊急業(yè)務(wù)和按需業(yè)務(wù)共存，因此其對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有著特殊的要求[2，3]。當(dāng)前WBAN主要采用的傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙、ZigBee、超寬帶（UWB）、紅外和NFC等。而ZigBee技術(shù)相比于其他技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，因此更加適合應(yīng)用于WBAN的數(shù)據(jù)傳輸[4]。本文將ZigBee協(xié)議應(yīng)用于WBAN，結(jié)合經(jīng)典的AODV協(xié)議，構(gòu)建了WBAN人體模型；進(jìn)而利用網(wǎng)絡(luò)主流仿真軟件NS2，仿真測試了衡量WBAN的可靠性指標(biāo)—丟包率和時效性指標(biāo)—時延，探究了ZigBee協(xié)議對WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪m用性。

1 ZigBee短距離無線通信技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee因?qū)Ｖ诘统杀?、低速率等要求，它有如下特點(diǎn)：

（1）廉價，ZigBee協(xié)議棧簡單，軟件實(shí)現(xiàn)簡練，需要的各項成本小[5]，隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，ZigBee通信模塊的價格可降至兩美元左右；

（2）省電，ZigBee收發(fā)信息需要的功率很低，工作周期短，附有休眠模式，所以避免了更換電池和頻繁充電；

（3）網(wǎng)絡(luò)容量大，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個設(shè)備；

（4）安全，ZigBee有鑒權(quán)的能力，保證了用戶的私人信息，加強(qiáng)了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網(wǎng)絡(luò)容量等特點(diǎn)，使ZigBee有較好的應(yīng)用前景和研究價值[6]；

表1給出ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)的對比[7，8]。ZigBee與Bluetooth相比協(xié)議棧更簡單，需要的軟硬件資源相對少很多，且可以支持更多的傳感器節(jié)點(diǎn)，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術(shù)相比較來說，Wi-Fi的應(yīng)用相對成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB比較來說，后者有較高的通信速率和較大的數(shù)據(jù)容量，但缺乏統(tǒng)一性的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)；ZigBee和NFC對比來看，ZigBee的通信距離遠(yuǎn)大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee協(xié)議適合WBAN體征監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)傳輸[9]。

2 AODV路由協(xié)議

本文依據(jù)所建WBAN中數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅x擇應(yīng)用AODV（Ad hoc on-demand distance vector routing）路由協(xié)議。AODV是一種反應(yīng)式路由協(xié)議，也稱為按需路由協(xié)議（On-demand Routing Protocol），僅當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸，需要包的傳輸路徑時，才開始進(jìn)行路由查找。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者探究的結(jié)果可知，若考慮數(shù)據(jù)源的數(shù)目、模型中節(jié)點(diǎn)的可移動性、以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題時，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大的優(yōu)勢[10]。

AODV具體工作機(jī)制：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息時，節(jié)點(diǎn)先檢查本身有沒有所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果自身沒有儲存所要到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，就開始以多播的形式發(fā)出RREQ（路由請求）報文。在所發(fā)的RREQ報文中詳細(xì)記錄了源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層地址，當(dāng)鄰近節(jié)點(diǎn)收到源節(jié)點(diǎn)發(fā)出的RREQ后，首先進(jìn)行判斷目標(biāo)節(jié)點(diǎn)是否為自己。如果是，則向發(fā)起的節(jié)點(diǎn)發(fā)送RREP（路由回應(yīng)）；若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路由，如果有，仍然向源節(jié)點(diǎn)單播RREP，同樣若沒有，則會繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)接收到的RREQ進(jìn)行進(jìn)一步查找。概括來說，在AODV路由情況下，網(wǎng)絡(luò)中的每一個節(jié)點(diǎn)只有在需要進(jìn)行通信時才會發(fā)送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開銷[11]。

因此，AODV作為一種經(jīng)典的路由協(xié)議，對于無線體域網(wǎng)涉及的各個體征信息檢測傳感節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸來說可以勝任。

3 人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關(guān)鍵部位，部署具有特定用途的傳感節(jié)點(diǎn)，用來實(shí)時采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的節(jié)點(diǎn)稱為體征信息檢測傳感器節(jié)點(diǎn)，它們把采集來的身體的生理信息轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)，對于人體來說，匯聚節(jié)點(diǎn)可由手機(jī)充當(dāng)。匯聚節(jié)點(diǎn)再把接收到的信息通過衛(wèi)星或局域網(wǎng)絡(luò)最終傳送到專門的部門，以此來實(shí)現(xiàn)對人體健康狀況的實(shí)時監(jiān)測，同時，也可以在自己的手機(jī)上儲存身體各項生理指標(biāo)的正常范圍區(qū)間，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)送來的某項生理值不在正常范圍區(qū)間內(nèi)時，便會報警提醒所要檢測的主體。上述過程可以通過編寫專門的程序來實(shí)現(xiàn)，比如當(dāng)主體的血糖偏低時，手機(jī)會自動啟動鬧鈴功能，假設(shè)此時鈴聲設(shè)置為A，而當(dāng)血壓偏高時，鬧鈴將啟動鈴聲B，再進(jìn)一步，也可以把出現(xiàn)的每種不正常生理狀況的應(yīng)對策略以及注意事項，儲存在主體的手機(jī)里，在鬧鈴提示某種狀況的同時，及時提供一些可行性建議。

本論文根據(jù)在人體范圍內(nèi)構(gòu)建WBAN的特征：短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本，選擇了ZigBee協(xié)議和AODV路由協(xié)議來進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸。

首先，構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，考慮模型的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，仿真以人身高180 cm，并根據(jù)所測主要指標(biāo)的位置以及相對應(yīng)的比例，設(shè)定了十個傳感器節(jié)點(diǎn)和一個匯聚節(jié)點(diǎn)（由手機(jī)來擔(dān)任）的坐標(biāo)，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包業(yè)務(wù)發(fā)生器來充當(dāng)人體傳感節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個傳感節(jié)點(diǎn)采集信息的內(nèi)部數(shù)據(jù)差別。因此，在程序中設(shè)定匯聚節(jié)點(diǎn)只接收其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

圖1 無線體域網(wǎng)體征信息檢測傳感器節(jié)點(diǎn)分布圖

本模型中所設(shè)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的生理參數(shù)均為對人體的健康狀況非常重要的指標(biāo)，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實(shí)時采集心臟的跳動情況，并把采集到的信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的代碼，心臟的工作情況對于人體來說至關(guān)重要，有其對于有心臟病的群體來說重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質(zhì)電位波形并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號，實(shí)時檢測大腦皮層的活動情況；n2，n9血壓傳感器：實(shí)時采集人的血壓情況，把采集來的血壓轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼，檢測血壓值的變化，最終防止血壓高或者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）在此相當(dāng)于移動通信領(lǐng)域中的基站，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在人體及人體周圍2 m×2 m范圍內(nèi)構(gòu)建由11個節(jié)點(diǎn)組成的無線體域網(wǎng)，接著我們創(chuàng)建了10個UDP并把它們附加到10個傳感器節(jié)點(diǎn)上，然后為UDP附加1個CBR業(yè)務(wù)發(fā)生器，該發(fā)生器可以在業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生數(shù)據(jù)包，在n7匯聚節(jié)點(diǎn)上，10個傳感器節(jié)點(diǎn)采用CSMA/CA機(jī)制向n7發(fā)送CBR包，根據(jù)檢測的業(yè)務(wù)信息不同設(shè)定包的大小不同，表2所列是體征信息檢測傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送CBR包的大小，其發(fā)送速率均為250 Kb/s，仿真運(yùn)行時間為100 s。

4 仿真分析

為了探究ZigBee協(xié)議對無線體域網(wǎng)絡(luò)的適用性，利用網(wǎng)絡(luò)仿真軟件NS2對構(gòu)建模型進(jìn)行了仿真，并對主要衡量可靠性指標(biāo)的丟包率，以及時效性指標(biāo)時延進(jìn)行了測量。在仿真結(jié)束后，編寫丟包率和時延的.awk提取文件，從仿真過后產(chǎn)生的.tr文件中，提取出丟包率和時延信息[12]。.tr文件的數(shù)據(jù)格式如圖2所示。

圖2 .tr文件的數(shù)據(jù)格式圖

圖2中，數(shù)據(jù)格式中每一部分的具體內(nèi)容為：Event分為3種情況s、r、D，分別對應(yīng)s發(fā)送，r接收，D丟包；Time為事件發(fā)生時間；Node為處理該事件的節(jié)點(diǎn)ID；Layer分為3種情況：RTR路由器Trace，AGTTrace，Mac層；Flags為分隔符；Pkt id為分組ID；Pkt type為分組類型；Pkt size為分組大?。?-----為分隔符；MAC Layer Info的數(shù)據(jù)如表3所列；IP Info的數(shù)據(jù)則如表4所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機(jī)抽取的一條記錄如圖3所示。

圖3 隨機(jī)抽取的.tr文件的一條記錄語句

對上述記錄格式進(jìn)行解釋如下：在6.828 477 300 s時，一個ID為7的節(jié)點(diǎn)MAC層接收了一個CBR分組，這個分組的UID為42959，長度為32 B，源地址為1：0，目標(biāo)地址為7：1，分組生存周期為30，源地址到目的節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)為2。

進(jìn)一步編寫“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分別用于從跟蹤文件.tr中統(tǒng)計整個網(wǎng)絡(luò)的CBR包的丟包率和CBR包端到端傳輸?shù)臅r延信息。

圖4為整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率統(tǒng)計。在仿真運(yùn)行的100 s內(nèi)，10個傳感節(jié)點(diǎn)共向Sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送24 573個CBR數(shù)據(jù)包，sink節(jié)點(diǎn)共接收24 183個CBR數(shù)據(jù)包，丟包率為0.015 871。

圖4 整個網(wǎng)絡(luò)在仿真過程的丟包率

圖5為發(fā)包速率為250 Kb/s時的CBR包端到端傳輸時延統(tǒng)計曲線。從仿真時延圖中可以看出，仿真剛開始時，由于WBAN的收發(fā)包機(jī)制剛剛建立起來，網(wǎng)絡(luò)整體性能不穩(wěn)定，導(dǎo)致時延不穩(wěn)定，上下浮動較大，等到網(wǎng)絡(luò)整體相對穩(wěn)定下來后，端到端包的傳輸時延趨于一個相對穩(wěn)定值0.2 ms。

5 結(jié) 語

本文中，WBAN仿真系統(tǒng)采用了ZigBee無線通信協(xié)議和AODV路由協(xié)議，在發(fā)包速率上限250 Kb/s時，丟包率在2%以下，時延不超過0.3 ms，這樣的丟包率和時延值對WBAN系統(tǒng)中進(jìn)行簡單的體征信息數(shù)據(jù)傳輸來說，是合理的，即它適用于無線體域網(wǎng)的短距離數(shù)據(jù)傳輸。該方法和結(jié)論對無線體域網(wǎng)及類似無線通信網(wǎng)絡(luò)選擇短距離通信協(xié)議具有積極的參考價值。

圖5 CBR數(shù)據(jù)包端到端傳輸?shù)钠骄鶗r延

仿真中設(shè)定的10個傳感節(jié)點(diǎn)所發(fā)CBR包的優(yōu)先級等同，而實(shí)際中，根據(jù)業(yè)務(wù)QoS需求數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級應(yīng)是不同的。下一步將針對不同的CBR包設(shè)定不同的優(yōu)先級，進(jìn)一步探討ZigBee技術(shù)在WBAN中的適用性。

參 考 文 獻(xiàn)

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zigbee協(xié)議范文第3篇

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；糧倉監(jiān)視；防火防潮

引言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的倉庫管理方式也朝著智能化方向發(fā)展。傳統(tǒng)倉庫管理需要人工實(shí)時查看倉庫內(nèi)的情況，費(fèi)時費(fèi)力，效率較低；另外，采用布線方式組成有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測，存在布線復(fù)雜、維護(hù)不便、成本高等缺點(diǎn)。因此，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測倉庫環(huán)境是一個必然發(fā)展趨勢，文章提出了基于ZigBee與GPRS協(xié)議糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)視與防火防潮系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

文章總體框架如圖1所示，通過溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采集糧倉的溫濕度，通過煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)采集糧倉附近的煙霧情況，并將采集到的數(shù)據(jù)報警節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中。然后通過協(xié)調(diào)器傳送到上位機(jī)，并通過上位機(jī)界面對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫中。如果糧倉發(fā)生異常，通過報警節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給SIM300，通過SIM300發(fā)送短信或打電話的方式通知值班人員及時到達(dá)現(xiàn)場進(jìn)行處理。

2 基于ZigBee協(xié)議的糧倉內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。因此文章通過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分析，采用了其中的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為糧倉內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過ZigBee無線通信技術(shù)將糧倉中的一些傳感器連接起來，從而形成一個糧倉內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。以下是各個節(jié)點(diǎn)的核心代碼：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，用于接收溫度傳感器與煙霧傳感器的數(shù)據(jù)。

3 上位機(jī)界面設(shè)計

Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。它既可以開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序，因此，文章采用Qt進(jìn)行開發(fā)，對該上位機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，如圖2所示。

4 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

SQLite是一款輕型的數(shù)據(jù)庫，它的設(shè)計目標(biāo)是嵌入式的，而且目前已經(jīng)在很多嵌入式產(chǎn)品中使用了它，在嵌入式設(shè)備中，只需要幾百K的內(nèi)存就夠了。文章采用SQLite數(shù)據(jù)庫對糧倉所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，如圖3所示。

5 結(jié)束語

文章提出基于ZigBee與GPRS協(xié)議糧倉遠(yuǎn)程監(jiān)視與防火防潮系統(tǒng)設(shè)計，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對糧倉環(huán)境溫濕度與煙霧的測量，采集并在上位機(jī)界面對節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示，通過數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，通過SIM300實(shí)現(xiàn)報警功能，通過實(shí)驗證明這種解決方案有很強(qiáng)的實(shí)用性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。對于解決實(shí)際應(yīng)用中有線網(wǎng)絡(luò)布線成本過高及不便到達(dá)、環(huán)境惡劣地區(qū)環(huán)境溫濕度監(jiān)測的問題是一個很好的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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zigbee協(xié)議范文第4篇

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； 網(wǎng)關(guān)； GPRS

中圖分類號：TP393.08 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2163（2015）02-

Design of a Lightweight Wireless Sensor Networks Gateway

LI Songtao，ZHOU Chenghu

（School of Computer， Henan Institute of Engineering， Zhengzhou 451191，China）

Abstract：In the design of remote monitoring system of regional environment，the conversion is needed from ZigBee to GPRS.Aimed at the need of interconnection between different wireless communication technology in the system， a new intelligent gateway between two different wireless communication technologies is designed.This gateway is mainly composed of Zigbee and GPRS embedded TCP/IP，and is considered to achieve the conversion of these different protocol through the software and hardware design.The practical results show that the designed gateway satisfies the need of protocol conversion in remote wireless monitoring system.

Keywords：WSN； ZigBee； Gateway； GPRS

0引 言

Zigbee作為一種新興的無線通信技術(shù)，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，非常適合無線監(jiān)控系統(tǒng)。而GPRS（General Packet Radio Service）網(wǎng)絡(luò)是一種長距離的移動通訊網(wǎng)絡(luò)具有信號覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速率高等特點(diǎn)，其協(xié)議規(guī)程展示了無線和網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的特征。因此可以通過GPRS技術(shù)來拓展ZigBee測量控制網(wǎng)絡(luò)的作用范圍。而將兩者的特點(diǎn)結(jié)合起來后，就在眾多長距離、多監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3].。

基于ZigBee和GPRS的網(wǎng)關(guān)設(shè)計就是在ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間搭建一條數(shù)據(jù)傳輸通道，由此實(shí)現(xiàn)Zigbee協(xié)議數(shù)據(jù)包和TCP/IP 協(xié)議數(shù)據(jù)包的相互轉(zhuǎn)換，并且進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Zigbee 協(xié)議和TCP/IP 協(xié)議之間的雙向傳輸，完成ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和IP 網(wǎng)絡(luò)的互通。系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)就是兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

1總體設(shè)計及網(wǎng)關(guān)作用

在監(jiān)控系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)的主要功能有[4-5]：

（1） 偵測并選定物理信道，分配ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；

（2） 配合網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)建立路由；

（3） 完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換；

（4） 接收傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合等處理；

（5） 接受監(jiān)控中心的命令，對命令分析后轉(zhuǎn)發(fā)給傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2430協(xié)調(diào)器模塊，GPRS模塊、電源模塊等組成。作為區(qū)域環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，網(wǎng)關(guān)發(fā)揮著數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵作用。網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)中的部署如圖1所示。監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部包含一個Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)最終匯聚到網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的過濾、融合及轉(zhuǎn)發(fā)。除此之外，協(xié)調(diào)器模塊還具有ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立和協(xié)議轉(zhuǎn)換及命令的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。GPRS模塊用來進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，并與遠(yuǎn)程服務(wù)器建立起TCP/IP連接，數(shù)據(jù)可以通過Internet傳輸?shù)椒?wù)器上，在服務(wù)器中完成數(shù)據(jù)的存儲、顯示和分析，而后根據(jù)設(shè)定的監(jiān)控條件發(fā)出相應(yīng)的控制命令，實(shí)現(xiàn)對ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的控制。

圖1 網(wǎng)關(guān)的部署結(jié)構(gòu)

Fig.1 Structure of？gateway？deployment

2協(xié)議棧分析及轉(zhuǎn)換

2.1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee 是電氣電子學(xué)會（IEEE） 無線個域網(wǎng)的802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是基于開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI） 參考模型的體系結(jié)構(gòu)， 如圖2所示。ZigBee是由多達(dá)65 000個無線節(jié)點(diǎn)組成的一個無線網(wǎng)絡(luò)，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行相互通信；每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，延拓至擴(kuò)展后的幾百米，而且通過增加放大電路，通信距離甚至可延伸成幾公里。在ZigBee 協(xié)議棧里，IEEE 802.15.4定義了物理層（PHY） 協(xié)議和介質(zhì)訪問控制層（MAC） 協(xié)議；同時，ZigBee 聯(lián)盟又制定了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用支持層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）等協(xié)議。一般情況下，用戶則可根據(jù)需求及接口來制定應(yīng)用程序?qū)覽6]。

圖2 ZigBee協(xié)議棧

Fig.2 Protocol stack of ZigBee

2.2 GPRS技術(shù)

GPRS 技術(shù)是在GSM（Global System for MobileCommunications，全球移動通訊系統(tǒng)）技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的移動通信技術(shù)，可為用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)， 還可在移動用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供高速的無線數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 采用與GSM 相同的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及一般無二的TDMA幀結(jié)構(gòu)。GPRS也是分組交換技術(shù)，并且具備實(shí)時在線、按量計費(fèi)、高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)[7]。為方便開發(fā)，有些GPRS模塊內(nèi)嵌了完整的TCP /IP 協(xié)議，支持?jǐn)?shù)據(jù)的透明傳輸與非透明傳輸，還為用戶提供了更簡單的網(wǎng)絡(luò)接口。同時，GPRS模塊將可支持標(biāo)準(zhǔn)的AT 指令集。通過終端設(shè)備、終端適配器發(fā)送AT 指令來控制移動臺的功能，從而與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互[8]。

2.3 ZigBee 協(xié)議與TCP/IP 協(xié)議的轉(zhuǎn)換

ZigBee協(xié)議與GPRS之間的轉(zhuǎn)換在網(wǎng)關(guān)完成，其協(xié)議轉(zhuǎn)換如圖3 所示。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理。按照已經(jīng)定義的數(shù)據(jù)格式將數(shù)據(jù)重新封裝由串口發(fā)送到GPRS模塊。利用模塊內(nèi)嵌的TCP/IP 協(xié)議，將模塊設(shè)置成透明數(shù)傳模式，當(dāng)GPRS聯(lián)網(wǎng)成功時，網(wǎng)關(guān)將獲得由GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商隨機(jī)分配的內(nèi)網(wǎng)IP地址，此時利用這個IP通過移動運(yùn)營商的網(wǎng)關(guān)訪問Internet網(wǎng)，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)由ZigBee到GPRS的數(shù)據(jù)傳送。需要注意的是，移動GPRS網(wǎng)關(guān)提供的NAT（網(wǎng)絡(luò)地址翻譯）端口映射服務(wù)具有很短的時效，若需要維持雙向的通信必須設(shè)置GPRS-DTU定時發(fā)送的心跳數(shù)據(jù)包，從而保持NAT端口映射。由Internet端向ZigBee端的協(xié)議轉(zhuǎn)換與前述過程相反，按照圖3即可實(shí)現(xiàn)類似解決。

圖3 ZigBee協(xié)議與GPRS之間的轉(zhuǎn)換

Fig.3 Conversion？between ZigBee protocol and？GPRS

3網(wǎng)關(guān)硬件平臺設(shè)計

網(wǎng)關(guān)硬件按照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計，電路主要由控制器模塊CC2430、GPRS模塊、液晶顯示模塊和電源模塊等組成，其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。CC2430內(nèi)嵌有加強(qiáng)功能的8051處理器和高效的無線射頻芯片，通過軟件編程的方式將其設(shè)置為ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。具體設(shè)計實(shí)現(xiàn)可做如下描述。

3.1 控制器模塊

在該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中，將控制器、協(xié)調(diào)器和通信模塊集成為一個整體，基于這種結(jié)構(gòu)，就減少了通常網(wǎng)關(guān)中單獨(dú)使用的控制模塊。由于在協(xié)議轉(zhuǎn)換的全過程并不需要用戶干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)了透明的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。由分析可知，這種設(shè)計方案不僅降低了成本，簡化了設(shè)計，對網(wǎng)關(guān)的可靠性也獲得了一定程度的提升。CC2430內(nèi)部不僅有加強(qiáng)型的單片機(jī)，內(nèi)置的Flash存儲器還可以保存全部的ZigBee協(xié)議棧，并有足夠的空間保證應(yīng)用程序的流暢運(yùn)行。

圖4 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

Fig.4 Structure of gateway hardware？？

3.2 GPRS模塊

GPRS模塊采用COMWAY WG-8010組件，其中內(nèi)置工業(yè)級GPRS無線模塊，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232數(shù)據(jù)接口，可以方便地連接RTU、PLC、工控機(jī)等設(shè)備。完成初始化配置后，網(wǎng)關(guān)就可以與服務(wù)器端通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。

4 軟件設(shè)計

4.1 ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的建立、傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集和節(jié)點(diǎn)管理等功能。軟件流程如圖5所示。網(wǎng)關(guān)上電后，首先進(jìn)行硬件的初始化，并掃描可用的通信信道，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，等待傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后，接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器通過RS232與GPRS模塊相連，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊。具體來說，協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計基于Z-Stack協(xié)議棧，使用C語言在IAR嵌入式編程環(huán)境下開發(fā)。Z-Stack是TI中操作系統(tǒng)、而且是基于優(yōu)先級的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，系統(tǒng)初始化后開始執(zhí)行操作系統(tǒng)。在操作系統(tǒng)中進(jìn)行的是一個輪詢式無限循環(huán)。協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)收集和串口通信分別部署在兩個不同的任務(wù)中，任務(wù)之間即通過事件進(jìn)行通信。

圖5 協(xié)調(diào)器軟件流程圖

Fig.5 Software flow chart of coordinator

4.2 GPRS模塊參數(shù)配置

由于GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了DTU功能，需要對模塊的一些參數(shù)進(jìn)行配置。基本內(nèi)容主要有選擇TCP/IP協(xié)議作為通信協(xié)議；設(shè)定遠(yuǎn)程主機(jī)的IP和端口號；設(shè)置DTU的工作模式為自動連接模式，保證模塊掉線后能立即重新連接，最大限度地防止數(shù)據(jù)丟失；設(shè)置DTU串口的通信參數(shù)：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗位。這些參數(shù)要和ZigBee協(xié)調(diào)器的串口通信參數(shù)一致，保證串口通信的正常。此外，為了確保遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信的連續(xù)性，還需要設(shè)置心跳包的內(nèi)容（ASCII碼或16進(jìn)制數(shù)據(jù)）和時間間隔，心跳包是為了在GPRS通信空閑中避免運(yùn)營商切斷連接而定時發(fā)送的數(shù)據(jù)包。

5 結(jié)束語

本文提出了一種輕量級無線通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)方案，該方案采用CC2430為核心，在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部完成了ZigBee協(xié)議與GPRS的轉(zhuǎn)換，并通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端的具有獨(dú)立IP的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。系統(tǒng)將近距離的ZigBee通信和遠(yuǎn)距離的GPRS通信結(jié)合起來，發(fā)揮兩種不同特點(diǎn)的無線通信技術(shù)的優(yōu)勢，該網(wǎng)關(guān)已在區(qū)域環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，實(shí)踐結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的通用性。

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zigbee協(xié)議范文第5篇

關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測；ZigBee；WiFi；無線網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：X83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

隨著環(huán)保意識的日益加強(qiáng)，對于環(huán)境的監(jiān)測要求越來越高，不僅監(jiān)測的參數(shù)越來越多，而且監(jiān)測范圍越來越細(xì)，手段也更加靈活。因此，用信息技術(shù)來提升環(huán)境監(jiān)測設(shè)備不僅可能而且必要。早期環(huán)境監(jiān)測設(shè)備中的監(jiān)控數(shù)據(jù)多采用有線傳輸或者人工抄表，因其布線繁冗，成本高，位置固定，靈活度低而受到很大限制。智能化的數(shù)據(jù)采集處理與無線傳輸是環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的重要發(fā)展趨勢。

ZigBee是目前應(yīng)用最為廣泛的近場無線通信技術(shù)之一，具有自組織、低成本、低功耗、高可靠性和短時延的特點(diǎn)，是需要較多傳感控制節(jié)點(diǎn)應(yīng)用的首選。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段，最多可容納65536個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)不僅能進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還能以多跳的方式承擔(dān)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。但ZigBee單跳通信距離較短，數(shù)據(jù)傳輸速率最高僅為250kb/s@2.4GHz且不能直接與Internet互聯(lián)[1]。

為了拓展通信距離和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)用，文獻(xiàn)【2】直接給出了基于WiFi的監(jiān)控方案，但是WiFi節(jié)點(diǎn)功耗相對較高，組網(wǎng)方式限制了其覆蓋范圍。文獻(xiàn)【3】采用ZigBee和以太網(wǎng)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程應(yīng)用，具體是通過ARM+Linux控制通信模塊，如GPRS/CDMA或其他以太網(wǎng)接口來實(shí)現(xiàn)的。ARM芯片分別與ZigBee和通信模塊相連，通過運(yùn)行ARM中Linux平臺上的代碼進(jìn)行總體控制和協(xié)議轉(zhuǎn)換，此類方案雖可實(shí)現(xiàn)ZigBee與以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，但是網(wǎng)關(guān)的功耗大，成本高，協(xié)議轉(zhuǎn)換效率低，可靠性與穩(wěn)定性相對較差。

為充分利用ZigBee和WiFi的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)施環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)與Internet無縫鏈接，拓展設(shè)施環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的應(yīng)用范圍。本文給出并實(shí)現(xiàn)了一種新的ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)以STM32W108及AX22001為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，經(jīng)測試，該無線網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定可靠，功耗低，能夠滿足設(shè)現(xiàn)代環(huán)境監(jiān)測對數(shù)據(jù)采集、無線傳輸和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程應(yīng)用的要求。

1.網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關(guān)位于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間，實(shí)現(xiàn)兩種不同協(xié)議的轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)既是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)構(gòu)建和配置整個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，又是WiFi的無線節(jié)點(diǎn)，具有收集分發(fā)ZigBee節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。其結(jié)構(gòu)和功能如圖1所示：

圖1 ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)能功能

ZigBee部分以STM32W108CBU61為核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)2.4GHz收發(fā)器的32位ARM Cortex-M3微處理器，固化了Ember ZigBee協(xié)議棧，支持星型、樹狀和網(wǎng)狀三種ZigBee基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。

網(wǎng)關(guān)中ZigBee射頻部分在使用片內(nèi)功率放大器時，無阻擋傳輸距離約為75M，能夠滿足布局簡單，范圍較小的場合。

網(wǎng)關(guān)中WiFi部分主控核心芯片AX22001是內(nèi)置802.11無線網(wǎng)MAC/基帶雙CPU架構(gòu)的TCP/IP微處理器，其中MCPU負(fù)責(zé)應(yīng)用程序和TCP/IP協(xié)議處理，WCPU則負(fù)責(zé)WLAN協(xié)議處理以及以太網(wǎng)封包格式的轉(zhuǎn)換，支持軟件設(shè)置TCP 服務(wù)器、TCP客戶端以及UDP工作模式。WiFi射頻部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz頻段，支持802.11b/g。STM32W108與AX22001間的數(shù)據(jù)交換通過UART完成。

ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM頻段，其間干擾是影響網(wǎng)關(guān)穩(wěn)定工作的重要因素。ZigBee將工作得2.4GHz頻段劃分為16個信道，信道帶寬為2MHz；WiFi則將該頻段劃分為11個信道，信道帶寬為22MHz。ZigBee與WiFi有12個信道重疊，無重疊信道最多有4個，如圖2所示。

圖2 WiFi與ZigBee信道分配圖

雖然ZigBee信號相對于WiFi屬于窄帶干擾源，WiFi通過擴(kuò)頻技術(shù)可以充分抑制ZigBee信號。同時ZigBee網(wǎng)絡(luò)在信道訪問上采用了CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，通過檢測信道上能量判斷信道狀態(tài)，這種信道占用檢測和動態(tài)信道選擇的方式對ZigBee和WiFi抗同頻干擾，實(shí)現(xiàn)共存非常重要[7] 。在網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計中仍需盡可能的將ZigBee和WiFi模塊隔開且用鐵殼覆蓋以減少輻射外泄，軟件設(shè)置ZigBee與WiFi信道選擇范圍，以減少二者信道相互重疊的可能性。此外，ZigBee和WiFi模塊分別單獨(dú)供電，軟件實(shí)現(xiàn)“時分復(fù)用”，盡可能避免出現(xiàn)ZigBee和WiFi同時發(fā)送數(shù)據(jù)的情況出現(xiàn)，提高網(wǎng)關(guān)無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。

2.網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

ZigBee采用IEEE 802.15.4協(xié)議，根據(jù)節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行通信，WiFi采用TCP/IP協(xié)議，根據(jù)IP地址進(jìn)行通信。ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)按照IEEE 802.15.4協(xié)議傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)解析出數(shù)據(jù)的有效載荷并轉(zhuǎn)發(fā)給WiFi網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)WiFi網(wǎng)絡(luò)需要發(fā)送數(shù)據(jù)給ZigBee中節(jié)點(diǎn)時，網(wǎng)關(guān)會根據(jù)TCP/IP數(shù)據(jù)包中含有的ZigBee節(jié)點(diǎn)地址將有效數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到指定節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)軟件通過調(diào)用協(xié)議棧建立并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)中ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立，信息接收、匯總及傳輸。協(xié)調(diào)器上電后掃描信道創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，選定一個PANID作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，創(chuàng)建路由表，廣播網(wǎng)絡(luò)允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。ZigBee模塊的工作流程如圖3所示：

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

WiFi模塊負(fù)責(zé)WiFi網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收發(fā)，支持AD-HOC直連和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模式兩種通信模式。本文將WiFi節(jié)點(diǎn)配置成基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模式，通過無線路由與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。WiFi模塊上電后，初始化硬件和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，設(shè)置模塊參數(shù)，掃描信道加入無線局域網(wǎng)絡(luò)。圖4為WiFi模塊工作流程圖：

圖4 WiFi模塊工作流程圖

ZigBee向WiFi發(fā)送數(shù)據(jù)：網(wǎng)關(guān)內(nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后將其與發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址通過UART發(fā)送給AX22001主MCU，運(yùn)行在主MCU中的程序?qū)?shù)據(jù)及節(jié)點(diǎn)地址打包通過WiFi發(fā)送出去。WiFi向ZigBee發(fā)送數(shù)據(jù)：AX22001主MCU將接收到的IP數(shù)據(jù)包解包提取目的節(jié)點(diǎn)地址和數(shù)據(jù)，通過UART將其發(fā)送給網(wǎng)關(guān)內(nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定節(jié)點(diǎn)上。

3.系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為測試ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關(guān)的運(yùn)行情況，本文采用多線程技術(shù)開發(fā)了上位機(jī)監(jiān)控測試程序，其中主線程用來接收數(shù)據(jù)，發(fā)送線程用來發(fā)送數(shù)據(jù)。ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)與測試程序之間通信通過Socket套接字來完成，網(wǎng)關(guān)運(yùn)行在服務(wù)器模式下，測試程序運(yùn)行在客戶端模式下，通信流程如圖5所示。

圖5 socket通信流程圖

測試時將ZigBee采集節(jié)點(diǎn)設(shè)置為全功能路由節(jié)點(diǎn)，外接溫濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度傳感器。在一112M×49M食品生產(chǎn)車間中布置15個數(shù)據(jù)采集結(jié)點(diǎn)，測試程序運(yùn)行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)和PC工作在同一無線網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee-WiFi網(wǎng)關(guān)首先加電啟動，然后運(yùn)行位于WiFi網(wǎng)絡(luò)中PC上的測試程序，輸入指定的IP地址和端口后，點(diǎn)擊連接。接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機(jī)接收數(shù)據(jù)

接收到的數(shù)據(jù)包括ZigBee節(jié)點(diǎn)64位全球唯一的物理地址地址，如圖中“0080E102001BC0A8”，接收到的信號的強(qiáng)度RSSI，該參數(shù)可被用來判定鏈接質(zhì)量，其余分別為傳感器測得的環(huán)境參數(shù)值。同時上位機(jī)通過WiFi向ZigBee中所有節(jié)點(diǎn)循環(huán)依次發(fā)送數(shù)據(jù)，ZigBee節(jié)點(diǎn)均可正確接收。經(jīng)多天連續(xù)運(yùn)行測試，數(shù)據(jù)傳輸多在單跳內(nèi)完成且時延小于10ms，丟包與信號強(qiáng)度及頻率有關(guān)，據(jù)測試結(jié)果可知網(wǎng)關(guān)丟包率小于1%。上述結(jié)果表明設(shè)計的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能符合要求且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

4.結(jié)論

本文以STM32W108及AX22001為核心芯片設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一個用于環(huán)境監(jiān)測中的ZigBee-WiFi無線網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)能夠滿足ZigBee與WiFi兩種不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)互聯(lián)要求，實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WiFi網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，拓展了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，方便與遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫連接。同時，該網(wǎng)關(guān)較其他方案具有功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，組網(wǎng)方便等特點(diǎn)。

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