1 Zigbee 技術及其優勢
1.1 Zigbee 技術概述
Zigbee ProtocoI Stack 體系結構如圖1所示，它主要有5 層體系組成。 由Zigbee 聯盟與IEEE 802. 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。
圖1 Zigbee 的體系結構。
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（Direct Seguence Spread Spectrum），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，在最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. 2 Zigbee 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專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全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 協議是免專利費的。
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30 ms，休眠激活時延典型值是15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms.
5）網絡容量大。 一個ZigBee 網絡可以容納最多254 個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多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：
圖2 無線傳感器結構圖
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·Link 1000 - 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·Link 1000- 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；300 MHZ 到1 000 MHZ 的無線收發器；高效率發射、高靈敏度接受；多達76. S kbit / s 的無線數據速率；IEEE S02. 15. 4 標準兼容產品；內置高性能微處理器；具有2 個UART 接口；10 bit、23 K 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。
圖3 無線傳感器控制和通迅模塊
存儲芯片選用有64 K Bytes 的存儲空間的ATEML 公司24C512 EEPROM 芯片；按一戶需要SBYTES 的信息量計算，可以存儲S 000 多個用戶的海量信息，對一個小區完全夠用。
所有芯片選用3. 3 V 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：3 Bytes 固定為：“AAAAAA”。
命令字：1 Byte 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：1 Byte 為后面“數據”長度的字節數。
數據：0 ~ 20 Bytes 為具體的有效數據。
CRC 校檢：2 Bytes 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。
2. 2 無線傳感器網絡的構建
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。
圖4 IEEE802. 15. 4 的3 種網絡結構
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最優和電源管理最優；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。
