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摘要：文章先分析了Zigbee无线网络结构和Zigbee无线网络组网，随后介绍了无线传感网络平台构建，包括Zigbee无线网络和硬件结构，希望能给相关人士提供有效参考。
关键词：无线传感；Zigbee技术；硬件结构
引言：Zigbee主要是在IEEE802.5的标准基础上创建的一种协议，对协议的PHY层和MAC层进行了定义。无线传感网络是当下研究的重点内容，其对传输设备具有功耗小和成本低等特点，而Zigbee的诞生满足了该种要求。
一、Zigbee网络结构
Zigbee技术体系结构能够用层进行量化，各个层拥有其自己的任务，并为上层结构提供服务，各层之间接口主要是利用已经定义过的逻辑链路实现连接。Zigbee网络结构中包括应用层、应用支持子层、网络层和MAC层共同组成。Zigbee协议层次网络结构较为简单，并不像蓝牙等各种网络结构那么繁琐，Zigbee协议网络架构包括五层。其中CAC层和物理层主要是使用IEEE802.15.4协议标准，而物理层所能提供的服务具体包括两方面的内容，利用物理层对实体接口进行管理，并为物理层和物理数据提供相应的服务[1]。
物理层主要特征是能够针对无线收发器进行启动和关闭等操作，此外还包括检测链路质量、检测能量、消除信道的评估、选择信道，利用物理媒体实现数据包的接收与传输等工作。而MAC层也能够提供两种基础性服务，比如将MAC层的实体管理服务连接至MAC的数据层以及管理实体提供各种服务。MAC主要特点是传输确认帧、时隙管理、接入信道、管理信标等。此外还可以为相应的安全机制提供基础方法。Zigbee技术网络层主要能够在网络安全、数据管理、组网连接等方面发挥作用。应用层的主要功能是为Zigbee技术提供应用的基础框架模型。Zigbee网络包括终端设备、路由器、协调器等设备。而协调器主要是用来对各种关键的网络信息进行存储管理，路由器则是为其他设备进入网络提供链接服务，终端设备能够唤醒和睡眠。
二、Zigbee无线网络组网
Zigbee主要支持三种大网络图拓扑结构，分别是树状网、网状网络和星型网络。星型网络中，由Zigbee主协调器来控制整个网络，这种设备主要是负责对网络中的各种设备进行初始化的维护管理，协调器在树型网络中主要是用来对各种关键的参数进行设置或启动网络，通过路由能够有效扩展网络。在网状结构内部，路由器主要是通过分级路由方式对信息进行控制和传递操作。
在各个Zigbee构成网络中，地址连续码分别是长地址64BIT和短地址16BIT，其所能包容的设备最大数量是2的64次密和2的16次密，其网络容量整体较大。通过对网络体系结构进行分析可以发现，当Zigbee设备在运行中，各种任务分别在不同层次中运行，在各层服务基础上，能够顺利结束所需实施的任务，并通过服务原语实现各项服务。主要包括四种原语：第一种是REQUEST，主要是请求服务的开始。第二种是INDICATION，是一种指示原语，能够准确指出内部各项事件的发生。第三种是RESPONSE，是一种响应原语主要是用户对上层原语的反应。第四是CONFIRM，即确认原语传输多个或单个前面服务提出原语调请求的执行结果。创建网络，从使用NLME-NETWORK-FORMATION.REQUEST原语开始。设备想要融入到网络当中需要从NLME-PERMIT-JOINING.REQUEST原语入手。Zigbee路由器以及协调器才会允许相关设备进入网络。在网络成员接收到新的设备后，便会形成一种父子关系，新设备也就变成了一种子设备，原网络成员便是一种父设备。
三、无线传感网络平台
（一）Zigbee无线网络
Zigbee无线网络主要包括三种网络拓扑结构，而在此次设计当中，主要是一种星型的网络结构。星型的网络配置主要是通过由多个终端设备和协调器节点共同构成。协调器是一种能够实现多组Zigbee服务的全功能设备。其终端设备是简化功能设备和FFD。协调器也是网络控制设备，能够支持数据管理和路由服务，终端RFD仅支持数据接收和传输服务，Zigbee通电后，率先使硬件进行初始化操作，结束初始化操作后，还需要为协议配置参数，同时为协调配置器配置IEEE64位的地址，随后协调器便可以顺利开始在网络中进行搜索，按照链路综合质量来选择信道，创建网络。在开始进入到正常运行状态后，可以通过协调器维护网络运行，负责管理和数据两项服务，数据服务即数据的传输而管理服务则是维护网络有序运行[2]。
上位机的软件设计，其在Zigbee传感网络监控系统内部主要是通过以测控领域中的LABWINDOWSCVI软件进行开发设置的，而该款软件系统主要是NI企业推出的。其功能是利用串口对Zigbee无线网络中传输过来的电压数据进行分析。相关电压数据证明，主要是通过波形图和文本形式实时显示出电压的波动。通过设置控制方式和电压警戒值，对无线系统实施手动或自动控制。将数据库和上位机有机联系起来，从而方便用户能够利用上位机查询相关的报警信息，并做好数据的监控管理。上位机数据库设计过程中，需要将数据库添加到上位机软件内，并，而后台数据库设备主要是使用ACCESSSHUJUKU。利用后台数据库对各种系统中监测所获得的数据信息实现管理。
（二）硬件结构
LPC2138是以支持嵌入式跟踪和实时仿真的ARM7TDMI-STMCPU三十二位微控制器，其内部还设置有512KB的FLASH高速嵌入式存储器。特殊的加速结构好宽度为128位的存储器接口能够保证最大钟频率下，32位代码能够顺利运行，这种比较适合研发无线通讯模块，也是此次项目中的理想MCU选择。
Zigbee射频芯片在收发运行中的工作频率范围大概在2.405到2.408GHZ之间，数据输送速率为250PKPBS，可以通过O-QPSK方式进行调制，其主要拥有一种优化数字内核，能够帮助控制MCU运行功率，减少操作周期，其内部设置有四个比较定时器，从而可以和价格低廉、性能低下MCU联合使用，从而有效减少投入成本，广泛维修中断服务，进一步简化了MCU编程操作。MCU和芯片之间可以通过串行外接口进行连接，MCU的选择增多。通过进行分析比较，设计传感节点的过程中主要选择LPC2138充当模块MCU，而射频芯片主要选择MC13192。传感网络节点中的硬件结构如图1所示：
图 1 Zigbee无线传感节点硬件结构
此次设计中可以通过C语言编写Zigbee协议，利用ADS内部各种工具软件以及AXD实施软件装载和编译工作，和硬件电路中的软甲思想一致，通过结构程序的模块化设计方法，软件模块可以划分成数据接收、SPI连接MC13192和LPC2138模块、UAT接口模块和数据传输。当系统结束初始化的操作后，便可以正式展开任务流程，促进数据实现有序的传输和发送。
结语：综上所述，当下无线传感系统当中主要是使用Zigbee技术，通过协同感知和多点融合网络体系，全面采集监控系统中的各种环境信息，并实施集中处理。在无线传感网络当中，Zigbee技术的信息处理能力较强。
参考文献：
[1]胡峻铭,邓成俊.基于狭长区域中无线传感网络节点定位技术分析[J].重庆电力高等专科学校学报,2018,23(02):51-53.
[2]林春雷.无线传感网络协议分析技术分析与实现[J].电子技术与软件工程,2017(01):24.
论文作者:周伟炎
论文发表刊物:《科技新时代》2019年6期
论文发表时间:2019/8/14
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