ZigBee技术的无线传感网络研究
来源:用户上传
作者:
摘要：现阶段，无线传感技术种类繁多，ZigBee技术作为一项低能耗、高速度、低成本、易组网的新型无线传感技术，将Zig-Bee技术引入至无线传感网络中，可极大水平拓宽无线传感网络的应用范围。本文首先介绍了ZigBee技术的内涵特点，然后探讨了Zigbee技术在无线传感网络设计中的实践应用，以期促进无线传感网络的不断发展完善提供一些参考。
关键词：ZigBee技术;无线传感网络;应用
中图分类号：TP393
文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）36-0222-02
无线传感网络是经由部署于监控区域的一系列传感器节点采集基本数据，节点相互协调合作、自组织的信息采集、信息传输、信息处理的一种综合智能信息网络，表现出良好的发展应用前景，也是近年来颇受关注的一个领域。随着网络技术、传感器技术、嵌入式技术的不断发展，及无线传感器节点处理速度、信息采集、功耗等的不断改善，无线传感网络亦在不断发展，近年来得以在农业、物流、交通、智能家居等行业领域得到广泛推广，并且伴随物联网技术应用的不断推进，应用成本的不断降低，无线传感网络势必将得到更为广泛的应用。
1 ZigBee技术
1.1 ZigBee技术
ZigBee技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。和传统网络技术相比，ZigBee技术显得更为高效便捷。作为一项低能耗、高速度、低成本、易组网的新型无线传感技术，ZigBee技术其关于组网、安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802 15.4无线标准[1]。这一技术主要适用于自动控制、远程管理，并且可十分便捷地在各式各样固定式、便携式移动终端中开展安装，同时，ZigBee技术还可实现GPS功能。近年来，ZigBee技术被应用于越来越多的行业领域，诸如工业控制、建筑自动化、智能设备管理、商业管制等，表现出十分广阔的发展前景。
1.2 ZigBee技术特点
ZigBee作为一项新型的无线网络技术，其可实现传统网络技术所无法实现的诸多功能，即为不仅可实现近距离操作，还可很大程度上降低能耗。好比，在蓝牙等无线网络技术相比，ZigBee技术可降低应用成本，虽然数据处理的速率有待进一步提高，当时后者更为便利，可作为广大用户的理想选择[2]。对于ZigBee技术的特点来说，主要包括有：其一，ZigBee技术应用能耗低。一般来说，ZigBee技术开展传输处理过程中所需的功率为1mW。如果ZigBee进入休眠状态，则其所需的功率将更低。举例而言，通过为装置有ZigBee的设备配备两节常规电池，该设备便可持续运行6个月左有的时间。其二，ZigBee研发应用所需投入的成本低。当前，ZigBee技术的成本普遍不需要交付专利费。一般而言，应用ZigBee技术只需要在最开始交付6美元，接下来的各项实际操作便不需要投入更高的成本。这便表明了，ZigBee技术的研发及应用成本可为广大用户所接受。其三，ZigBee技术应用安全可靠。ZigBee技术可实现十分可靠的检测功能，并且在应用ZigBee技术过程中需要进行反复的检验流程。在该种情况下，可很大程度上保证切ZigBee技术应用的安全可靠性。并且，ZigBee技术在信息传输时可保证数据流的相对平行性，也就是说，ZigBee技术可为信息数据创造良好的传输空间。其四，ZigBee技术不仅可提供庞大的网络容量，还可节约时间成本。基于ZigBee技术的无线网络设备，不仅配备有一个主设备，还设置有大量的辅助性设备，这样为ZigBee技术设备网络容量的超大额度提供了可靠保障。除此之外，Zig-Bee设备不仅拥有极大的网络容量，还可节约时间成本。通常而言，ZigBee技术在开展搜索过程中用时仅需30ms，通过是处在休眠状态下，进入工作状态则只需l5ms[3]。综上，ZigBee技术是一项低能耗、低成本、安全可靠、大容量、低时延等无线网络技术。
2 Zigbee技术在无线传感网络设计中的实践应用
2.1无线传感器硬件设计
无线传感网络结构主要包括节点结构、网络结构及网络协议栈等部分，其中，依据硬件设备功能、层面的区别，可将其网络结构划分成管理节点、传感器节点、用户界面等部分;而节点结构依据传感器节点组成元件的功能差异，可将其划分为通信模块、传感装置、数据处理单元、供电设备等部分。在无线传感网络中，通信模块可实现对相邻节点的有效连接，且主要作用于对网络信息进行传输、接收，通信模块的选择重要影响着无线传感器节点组网的运行质量;传感装置主要作用于对相关信息数据开展采集;数据处理单元主要作用于对节点采集的信息开展分析处理，并且可实现对各个节点模块的调控，该部分也是无线传感网络中节点的重要核心;供电设备不论是技术层面还是结构层面均较为简单，供电通常以常规电池为主，不过供电设备性能很大程度影响着整个无线传感网络传感节点，所以在选择供电设备时应尽可能选取续航能力可靠且性能稳定的供电设备。网络协议栈主要由物理层、媒体介质访问层、网络层、应用层等协议层构成，其中，物理层可发挥接口作用，提供物理层数据服务及管理服务。媒体介质访问层主要作用于处理各项物理无线信道访问，并输出网络信号及同步信号;支持个人区域网的连接、分离，建立两个对等媒体介质访问层实体相互间可靠的链路。网络层作为网络协议栈的核心部分，可实现设备连接、断开网络连接、路由传输及数据传输等一系列功能，并可支持星形（Star）、网状形（Mesh）以及簇树形（ClusterTree）等一系列拓扑结构[4]。应用层同样作为网络协议栈的重要组成部分，是每一位参与开发的程序员一致使用及遵守的准则，程序员以此为基础开展扩展，并始终确保程序在主体结构上的统一性。该协议层主要作用于提供相关必要函数，为网络层提供可靠的服務接口，并开展应用对象定义工作。 2.2无线传感器软件设计
通常情况下，无线传感网络的传感节点操作系统普遍采用体积相对小的嵌入式系统，基于ZigBee技术的无线传感器软件开发环境选取集成的开发环境，ZigBee无线模块的软件设计是依托操作系统开展建立的，借助事件轮询机制，在系统每一层处于初始化阶段，系统处在低功耗模式下，等到事件激发后，系统开始运行，并转至中断处理事件，在事件结束后，系统又一次转至低功耗模式。倘若多个事件被激发，则系统会依据优先级评定来对各个事件开展处理。对于嵌入式操作系统的软件架构工作流程而言，第一步为开启系统，紧接着开展驱动的初始化、操作系统抽象层初始化，并将它们开启，进而转至事件的轮询阶段。
1）协调器节点的软件设计。基于ZigBee技术的无线传感网络中，调节器作为一种启动、配置网络的设备，主要作用于构建ZigBee无线传感网，并对ZigBee无线传感网开展管理工作。在有其他网络节点提出申请，以期加入ZigBee无线传感网中，这一过程协调器可白动通过加入申请，进而实现与其他网络之间的通信。另外，协调器可对终端节点传输进入网络的电压数据开展全面采集，并经由串口将采集的电压数据传输至上位机，上位机将控制命令传输至协调器，调节器在接收到控制命令后，再将命令传输至各个终端节点，终端节点接收到命令后进而做出相关的处理反应。
2）路由器节点的软件设计。基于ZigBee技术的无线传感网络中，路由器作为一项支持关联的设备，作用主用于将信息数据传输至其他设备，实现路由功能。ZigBee设备的地址类型可分为64位IEEE地址和16位网络地址两种。ZigBee无线传感网分配网络地址的编址方案主要为分布式编址方案，这一方案可确保在整个无线传感網络中各个被分配的网络地址均是独一无二的[5]。
3）终端节点的软件设计。基于ZigBee技术的无线传感网络中，终端节点主要作用于采集电源电压数据，并将电源电压数据传输至协调器，同时可接收到来自协调器的控制命令，终端节点可实现对采集/保护模块中继电器、蜂鸣器的有效控制，并结合接收到的命令做出相关处理反应。终端节点凭借自身授权身份进入无线传感网络后，与协调器构建绑定关系，形成绑定关系后，即便没有传输数据的目的地址，终点节点也可将其传输至目的端。
3 Zigbee技术的发展趋势
伴随物联网的不断发展，射频识别技术、近距离无线通讯技术等技术在物联网一系列场景中得到广泛推广。与此同时，伴随智能传感器的不断丰富，要求ZigBee该种可提供低功耗.网络管理便捷、安全可靠的技术来开展高效、低成本的传输控制。然而现阶段，ZigBee技术应用不论是其终端种类还是整个产业链上，相较于射频识别技术、近距离无线通讯技术依旧存在不小的差距。在ZigBee联盟以及IEEE802 15.4的不断推进新，ZigBee技术凭借一系列优势特点，结合其他无线网络技术，可实现覆盖面广泛的网络智能互联。该项技术不仅在工业、农业、医疗、环境等领域表现出巨大的应用价值，在未来还可深入推广至社会大众日常生活的各个领域[6]。
4结束语
总而言之，无线传感网络技术是近年来人们广泛关注的一大焦点，但其存在应用范围较为狭窄的问题。推进ZigBee技术与无线传感网络的联合应用，可借助高速网络低能耗终端，实现信息数据的全面采集，并保证信息传输速度，进一步提升无线传感网络的应用前景，满足社会大众的多元需求。因此，相关人员应当围绕如何有效开展ZigBee技术的无线传感网络设计应用进行探索研究，进而促进无线传感网络的不断发展完善。
参考文献：
[1]吴键，袁慎芳，殷悦，等.基于ZigBee技术的无线传感器网络及其应用研究[J].测控技术，2008，27 （1）：13 -15.
[2]龙海燕，张天飞，丁娇，等.《ZigBee技术应用及无线传感网络技术》课程改革探索[J].物联网技术，2017，7（12）：185-186.
[3]丁明玲，李林江.基于ZigBee的无线传感网络关键技术[J]广东通信技术，201 7，9（12）：69-72.
[4]刘琼，周之光，朱志伟.基于CC2430的低功耗ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2009，9（5）：15-16.
[5]关学忠，张新城，孟伸伸.基于ZigBee技术的无线传感器网络路由算法的性能分析[J].自动化技术与应用，2017，36（3）：36-39.
[6]王永强，王远飞，陆欣.基于Zigbee技术的无线传感器网络的设计与实践[J].数码世界，2017，12（3）：4.
【通联编辑：唐一东】
收稿日期：2019-08-15
作者简介：刘志强（198 4-），男，江西安远人，硕士，江西理工大学信息工程学院，研究方向为无线传感器网络物联网。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15123202.htm
