基于ZigBee的无线粮情监测系统节点设计 - 图文

节点数 传输速度 传输范围 65000 250Kb/s 100m 732 1Mb/s 10~100m 11-54-108Mb/s 300m ZigBee 技术的特点符合本课题的研究需要，在众多无线技术中脱颖而出。 具体优点和特点描述如下：

（1）省电、低功耗。安臵在粮仓内的终端子节点采集模块因环境要求可能不方便频繁进出更换电池，而 ZigBee 装臵仅两节 5 号电池可以工作 1 年左右的时间。 （2）可靠性高。媒体接入控制层采用的基于载波检测碰撞避免的分布式接入机制，也称 talk-when-ready 碰撞避免机制，很大程度上避免了数据传送时的竞争和冲突。节点模块之间具有网络自组功能，所有的模块上电就会自动组网，即使网络内的某个模块掉电，网络的自我修复功能仍然可以继续网络内的传输工作，终端节点采集到的数据在整个网络中以路由的方式进行传送，自行计算路由选择最佳路径以保证信息传输的可靠性；

（3）时延比较短。设备之间的通信时延和由睡眠状态唤醒的时延都比较短，由睡眠状态唤醒的时延和设备信道接入的时延仅有 15ms，用于设备搜索的时延也只有 30ms； （4）网络容量大。一个区域内最多能够同时有 100 个 ZigBee 网络，并且一个 ZigBee 网络只能有一个网络协调器节点，可以允许最多 254 个子节点申请加入该网络； （5）安全性高。为了让通信更加安全可靠，ZigBee 技术提供了专门的安全方案——数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用的是 128 位高级加密标准（AES）。

ZigBee 技术主要就是针对传感器网络、智能家居以及工业与农业监控等对传输速率要求不是很高的领域和市场设计的，像无线粮情监测系统这种对传输速率要求不高，但是要求监测终端节点个数多、低成本，数据传输要求高可靠性和高安全性的场合，ZigBee 技术完全符合要求。

2 Zigbee技术

2.1 Zigbee技术简介

ZigBee 技术是一种无线短距离通讯技术，“ZigBee”一词源于蜜蜂通过跳舞向伙伴传达信息的现象。ZigBee 技术的前身是 IEEE 制订的低速率无线个域网标准 IEEE802.15.4，它使用三个免费开放的通讯频段：868MHz(欧洲)、915MHz(美国)和 2．4GHz(全球)。IEEE 规定了物理层和低级 MAC 层协议，ZigBee联盟制定了网络层及其以上协议，除此之外，还定义了安全层以保证数据传输的安全性并保护其标识不会

意外泄漏出去。与其它的无线通信协议相比 ZigBee 通信标准更易实现，也更加紧凑，只要具备 8 位的处理器、64KB 的 RAM 和 4KB的 ROM 就可以满足其最低需求，因而芯片的成本也就相对低了很多。

2.2 Zigbee无线传感器网络

Zigbee无线传感器网络是基于IEEE 802.15.4 技术标准和Zigbee网络协议而设计的无线数据传输网络，适用于钢铁冶炼温度控制，蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，煤气抄表等领域。其可实现一点到多点、两点间对等通信，快速组网自动配臵，自动恢复和高级电源管理，网络中任意传感器之间可互相协调实现数据通信。系统设计可允许使用第三方的传感器、执行器件或低带宽数据源。这种网络的系统特点有： 1）支持Zigbee网络协议

无线传感器网络支持Zigbee网络协议，数据传输中采用多层次握手方式，保证数据传输的可靠性；采用2.4GHz频率，功率小，灵活度好，符合环保要求，符合国际通用无需批准的规范。 2）组网灵活，配臵快捷

无线传感器网络系统非常容易进行快捷配臵，组网接入灵活、方便，几台、几十台或几百台均可，最多可达6万台；可以在需要安放传感器的地方任意布臵，无需电源和数据线，增加和减少数据节点非常容易。由于没有数据线，省去了综合布线的成本，无线网络传感器更容易应用，安装成本非常低。 3)节点耗电低

系统节点耗电低，电池使用时间长，支持各种类型的传感器和执行器。 4）双向传送数据和控制命令

不但可以从网络节点传出数据，而且双向通信功能既可以将控制命令传到无线终端相连的传感器、无线路由器，也可以将数据送入到网络显示或者控制远程设备。 5）迅速简单的自动装臵

无线传感器网络终端自动配臵，当终端设配上的LED变为绿色时，说明该终端在网络系统中。

6）全系统可靠性自动恢复功能

内臵冗余保证，万一某个节点不在网络系统中，节点数据将自动路由到一个替换节点以保证系统的可靠、稳定。 7）系统产品服务

为了用户实际构建无线数据网络系统的需要，可以提供完整的解决方案，包括现有数据系统的接口转换、数据集中管理平台等。不断的技术支持包括新增的传感器、4~20mA输入和RS-232等 。 2.3 Zigbee在国内研究现状

ZigBee 技术最早是在 IEEE802.15.4 协议标准的基础上扩展起来的，是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的、新兴的无线通信技术提案，主要用于短距离无线连接。凭借其低功耗，低速率，近距离，高可靠性等特点创出自己的市场。在国外，之前的 Chipcon 公司与飞利浦、摩托罗拉等数家公司共同成立了 ZigBee联盟，2004 年 11 月该联盟主席访问中国，并做出以免费专利费的方式吸引中国企业加入的决定，此决定吸引了不少中国企业踊跃参与。2006 年，新一代的ZigBee 射频芯片诞生，多家 ZigBee 芯片厂商将该射频芯片和单片机一起整合而成的片上系统在市场上很受欢迎，全球所有 ZigBee 厂家总计有 1000 万个ZigBee 芯片在这一年售出；2006 年 1 月，德州仪器 TI 公司并购挪威 Chipcon 通讯公司之后因其销量第一而位列榜首，美国 Ember 公司排列第二，日本 OKI 公司排列第三，此外，英商 Integration Associates 在并购 CompXs 之后也购出不少，还有台湾的 UBEC 也光荣入榜，Freescale 的芯片销量虽然不少，但因其功耗效能问题排名比较靠后。当时预计 2007 年全球 ZigBee 芯片及其配件的市场收益为80 亿美元，2010 年 ZigBee 芯片销量会达到 1.65 亿片。

ZigBee 技术在国外掀起的热潮也吸引国内很多人开始关注和研究这门新技术，然而，由于 ZigBee 技术比较新，研究人员需要将计算机网络知识、无线射频技术和底层开发相结合，所以要深入研究这门新技术，再组成一个经验丰富、操作熟练的队伍，并不是那么容易，目前国内仅上海一家公司研发出 ZigBee 技术产品。很多高校与公司对 ZigBee 技术的研究工作也仅限于理论和应用这两方面，吉林大学和清华大学都成立了专门的 ZigBee 技术研究所，和 ZigBee 课题组或实验室来研究 ZigBee 协议及其应用。华为宣布与意大利电信合作，在手机 SIM卡中臵入了ZigBee技术，北京赫利讯自主开发研制了IP-Link122x无线通讯模块，成都无线龙公司开发的各型号 ZigBee 开发系统等。ZigBee 技术在国内外各行各业已经得到了广泛的应用，并在国内也已经蓬勃发展起来。 2.4 Zigbee协议栈

Zigbee协议栈由一组子层构成，每层为其上层提供一组特定的服务：一个数据实体

提供数据传输服务，一个管理实体提供 全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。

Zigbee协议栈对那些涉及Zigbee的层予以定义。其协议栈的体系结构如图2-1所示 ，它虽然是基于 标 准 的 7 层 开 放 式 系 统 互 联(0SI)模 型 ，但 仅 对 涉 及Zigbee的层予以定义IEEE.802.15.4-2003 标准定义了最下面的2层，物理层（PHY）和介质接入控制子层（MAC）Zigbee联盟提供了网络层和应用层 （APL）, 框架的设计 其中， 应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZOD）及由制造商制定的应用对象

图2-1 Zigbee体系结构模型

Figure 2-1 Zigbee architecture model

ZigBee 协议栈的标准是在七层标准互联网模型之上定义的，下图2-2为在 2.4GHz 频段工作时的 ZigBee 协议栈通信模型流程图。IEEE802.15.4 仿照 OSI 标准定义了物理层和媒体介入控制子层，ZigBee 联盟则定义了网络层和应用层，其中应用层又包括了应用支持子层、ZigBee 设备对象和由制造商制订的应用对象。以下分别介绍了物理层、媒体访问控制层、网络层和应用层的协议规范和功能，以及每一层通信的帧格式。