基于Zigbee的无线传感器网络的研究
陕西省 自然科学基金项 目：面向移动视频信息处理的嵌入式软硬件平台
技术研究 (2006F44)
繁 b
无线传感器网络的研究
孟开元 王琦珑 曹庆年 西安石油大学计算机学院 71 0065
Zig~e是一种专 为低成 本和 低功耗 传感 器控制
网络 设计的尧线 问络 协议 ， 它是 一种 新型双
向无 线通 信技-术 ，主 要应 用予 缸动控 制、 传
感、监控和 远程控 毒q领域 。本文介 绍基于无线
传 感 器罔络 节 蕺的设 计原 则 出 了无 线传
惑器 网络 通用 节点的 基本构 架；给 出 了系统
的硬 件结 构筑软 件 的设 计方 案 和具体 实 现 ，
并从 硬件 、软件 两方 面考 虑 了低 功 耗设 计的
要 幕 --
Zigbee；无线传感 器网络 ；MsP耳3OF1 69
引言
当前 ，传感器 网络正朝着开发无线传
感器 网络的方向发展。对无线传感器网络
的研究与开发是 目前信息领域 的一个热点，
国际上许多著名的大学 和公司纷纷 从不同
的层次 、角度对传感器网络进行 了研 究和
开发 。近年来 ，我国的一些著名高校也展
开 了这一领域 的研 究工作，内容包括无线
传感器节点的硬件设计 、操 作系统设计以
及无 线传 感 器网络 的路 由技 术 、 节能技
术 、 覆盖 控 制 技 术 等 。
传统的无线网络包括移动通信 网、无
侍 戚嚣节 点
叵 一 回 一
线局域 网、无线个人网 、蓝牙网络等 ，它
们的设计 基本上都是 为了同时满足人们各
种 各样的需要 ，如语 音 、视频 、图像等。
然而 ，无线传感器 网络一般是为 了某个特
定的需要而设计的 ，它是一种基于应 用的
无线 网络 。本文通过对无线传感 器网络的
制作 工艺及 各种不同场 合下的应 用分析 ，
总结 了以下几个方 面的基本设 计原则 ：
(1)节能是传 感器网络设计最主要的
问题。无线传感器网络要部署在人们不便
接近 的场 所 ，而且不常更换供电设备 ，对
终端 功耗 要求 就 非常 严格 。 在设 计过 程
中 ，应采 用合理 的能量监测 与控制机制 ，
功耗 要限制在 几十毫瓦甚至更低 数量级 。
(2)成 本的 高低是 衡量 传感 器 网络
设计好坏 的重要指标 。传感器网络终端通
常大量散布 ，只有 低成 本才能保证传 感器
网络广泛使用 。这就要 求无线传 感器的各
个模块的设计不能特 别复杂 ，否则不利于
降 低 成 本 。
(3)微 型化是 传感 器网络 追 求的 目
标 。只有终端本身足够小 ，才能保证不影
响 目标 系统 环境 。
(4)可扩 展性也 是设 计 中必须 考虑
的问题。终端应当在具备通用处理器和通
信模块 的基础上拥有完整、规范的外部接
口 ，以适 应 不 同 的组 件 。
1、 无线传感器网络的硬件设计
1．1无线传感器网络结构
一
圆
图 1 Zigbee网络的拓扑结构 图
91
无线 传感 器节点执行数据采集 、处理
和通信等工作。Zigbee技术将终端从器件
上分成 两类。一 类是 全功能 器件(FFD：
Full Function Device)，它拥有足够 的存
储空间来存放路 由信息并且处理能力也相
应 增强，它承担 了网络协调者的功能 ，可
以同网络 中的任何设备通信 ，可存在于任
何拓 扑结构 中。 另一类 是简 化功 能器 件
(RFD：Reduce Function Device)，它
内存较 小 ，功耗 低 ，不 能作 为 网络协调
者 ，只能与 FFD通 信 ，实现简单 ，多用
于星型拓扑结构中。全功能器件主要 起到
网关的作用 ，而简化功能器件是 最基本的
传感器节点用来捕获数 据信 息并传递给其
范围内的网关节点。每个 Zigbee网络节点
(FFD和 RFD)可以支持 多到 31个传感器和
受控 设备 ，每一个传感器和受控设备终端
可以有 8种不 同的接 口方式 ，可以采集和
传输 数字量和模拟量 。根据上层的应用环
境 ，FFD和 RFD互相组合 ，可以共 同协
调工作 ，不仅扩大 了网络的覆盖范围 ，同
时 由于 RFD的加 入 ，节省 了整体功耗 I。
整个网络 由若干终端设备和监控 中心
组成 ，网络采用星型拓扑结构 ，Zigbee网
络系统的拓扑结构如 图 1所示。监控中心
由1台计算机和多个协调器组成 ，协调器是
一 种实现一组很 多Zigbee服 务的 FFD，负
责与所控制的子节点通信、汇集数据和 发
布控制或起到通信路 由的作用。设备节 点
可以是 FFD或 RFD，RFD是最 简单 的
Zigbee节点，只实现一组最少的 ZigBee服
务。采用 Zig~e技术的设备节点成本一般
只有几 美元 ，功耗非常低 ，使用普通五号 电
池 就可以维持长达数年的工作时间 ；单个
Zigbee设备 的通信距离约 100米 ，可将多个
设 备配合起来覆盖更大的范 围；节点的时
延很短 ，信道接人时 延仅为 15ms，休眠激
活的时延为 30ms；网络容量较大 ，一个网
络 内可容纳 65000多个终端设备l21。
1．2终端设备设计
本文设计的设备节点是一个微 型化的
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图 2 终端设备结构 图
苗
中国科技信息2009年第 7期 CHINA SCIENCE AND TE~ OG~INFORMATION Apr．2009“
嵌入式系统 ，构成了无线传感器网络的基
础支持平台。该节点 由数据采集模块 、微处
理模块 (包括微控制器及其外 围设备 )、无
线通信模块 、电源模块 4个部分组成 ，节点
总体结构如图 2所示。
数据采集模块主要 负责监测区域 内信
息的 采集并 将各种 传感 器 (如温 度 、压
力、载 荷 等 )采集 的信 号 (如 _光信 号 、
电信号、化学信号 )转 变为数字信号并送
给微处理模块 ；微处理模块 负责控制 整个
节点的处理操 作、路 由协议 、同步定位 、
功耗管理 、任务管理等 ，最主要的是需要
实现网络安全可靠的通信协议 ；无线通信
模块负责与其他节点进行无线通信 ，交换
控制消息和收发采集数据 ；电源模块管理
单元选通所用到的传感器，节点 电源 由两
节 1．5V碱性电池组成 ，也可采用微型纽扣
电池 ，以进一步减小体积。为了调试方便
及可扩 展性 ，将数据采集单元 独立出来 ，
通过预先留出的通用接 口将两块主板相互
套接 。通过通 用接 口实现附加功能与系统
核心模块相分离 ，降低系统 复杂性并可根
据 实际应用添加不同类型的传 感器 (光、
温 度 、 湿度 、 压 力等 )。此 外 ，可以 添
协 渊器 zigBee模
块 发起连接请求 l
Y Jr
置传感器甘点 ZigBeel
模块 为 sleep f 作 饪
Y
办调器 ZigBee模块发刘
行主 从角 转换请求
<
、 、r／
Y●
协调器ZigBee模l+
块发起连接晴求 l
图 3 Zigbee初始化流程图
加能量 监测模块 、定位 系统 、移动系统 、
电源 自供电系统等各种附加模块 ，增强节
点 的可扩 展性 。
2
、
无线传感器网络 的软件设计
为了增加 Zigbee无线传感器网络的容
量以及解决 传感 器网络中一个重要的能源
供给的问题 ，对于 Zigbee传感器网络核心
之 ·Zigbee协调 器和传感器节点之间的通
信 。本 网络采用了基于需求时唤醒的工作
模式 。这种模式可以大大节省传感 器节点
的功耗 ，减少信息上报时的碰撞概率 ，延长
网络的寿命 。下面详细讨论一下 Zigbee协
调 器和传感器节点之 『日】的通信过程 ，即它
的初始化过 程和数据处理过程 1 3】。
2．1 Zigbee模块初始化
Zigbee模块 进行通信之前需要进行有
效 的初始化。Zigbee协调器和传感器节点
之间的初始化流程如图 3所示。
在初始化通信过程中，协调器主动广
播连接信令 。在传感器节点成功地 接收和
验证一 个数据帧和 MAC命令帧后 ，向协
调器返 回确认帧 ，传感器节点的 Zigbee模
块 被置于 Sleep 【作模式 。接下来协调 器
与传感器节点进行主从角色转换 ，协调 器
模块处于从模式工作状态 ，等候响应连接
请求信令。此时传感器节点中的 Zigbee模
块工作在主模式下 ，等待着有需求时唤醒
发起连接请求 。在初始化结束后 ，传感器
节点 Zigbee模块工作干 Sleep模式 ，拒绝
任何的连接请求 。这种设计大大降低了传
图 4 数据处理流程图
口9
感器节点的功耗 ，并且传感器节点只是在
有需求时唤醒并主动与协调 器建 立连接 ，
从而有效地控制 了其他网络中 Zigbee物理
射频以及其他传感器节点和协调器的非法
连接请求 ，保证了协调器和传感器节点间
通信 的安全 可靠
2．2 Zigbee模块数据处理
数据处理过程是在传感器节点的硬件
检测电路检测到其所在的环境 (监测的参
数 )发生变化时 ，由传感器节点中的Zigbee
模块 对数据简单处理后 ，主动发起连接将
处理后的数据传送 给协调器 ，其通信流程
如 图4所示。 由于在工程 中测试结论 已表
明，该无线传感器网络的传感器节点 99％
以上的时 间处于Sleep状态 ，只需要周期性
地监听其 无线信道 ，判断是否有需要 自己
处理的数据消息 ，功耗的数学期望值可低
至 30 AI 。
3
、
结束 语
本文从低功耗 、低成本节点设计的角
度提出了无线传感器网络的基本构架，设
计了一种具有 实用价值的无线传感器网络
软硬件平台 ，节点通信采用短距离无线技
术规范 ZigBee，克服 了普通 RF芯片的缺
点，具有良好的通用性和可扩展性。文中给
出了系统的硬件 电路的结构设计及详细实
现 ，提供 了系统软件的总体设计方案和流
程 图，并详细介绍了通信模块软件的设计，
给出了节点通信过程的收发信流程图。系
统适用于短距离小范围的基于无线通信的
控制领域 ，能够满足对各种传感器的数据
输 出和输 入控制命令和信息的需求 。
1、 ：，／ ．蔼园强 ．org
：／／ 鼬． 咎．oom．镪
[3】任丰原， 黄 海宁，林 闯· 无线传感
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孟开元 窘 8 一 戛 ， 苏 爱 人
硕士．副教授，研 究方向为嵌入式系统．计
算机体系结构 ； 0
王琦 珑 ∽ 8 3 一)．男 j辽 宁 阜新 人
硕士研究生 。研究 方向 为嵌入式系统 ．计算
机体系结构 *
曹庆年 (1 9 6 3 一)．男，陕 西西安人．j
硕士 ．副教授 ，研 究方 向为通信工 程 嵌入
武 器
基于Zigbee的无线传感器网络的研究.pdf
