硅谷：基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统 |
| 2012-11-18 16:16 作者：夏伯锴 杨晓红 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月18日文】据《硅谷》杂志2012年第17期刊文称，随着通信技术的不断发展，无线通信技术在很多领域得到广泛的应用。与有线通讯设备相比，无线通讯设备携带方便、无需布线特别适用于机动性要求较强，或者工作受到内部线路限制的通信设备。ZigBee作为一种新兴的短距离、低复杂度、低数据传输速率的无线网络通信技术，填补低功耗、低成本的无线通讯市场的空缺，在工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等领域有着较多的应用。结合ZigBee技术的发展和无线数据传输系统的需求，提出基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统的设计方案。
1ZigBee技术简介
1.1ZigBee概论
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。它是一种高可靠的无线数传网络，期数传模块类似于移动网络基站，通讯距离可以无限扩展。
1.2ZigBee技术特点
1.2.1低功耗
在正常运行模式下，由于ZigBee技术传送的传输速率低，数据量不大，因此信号收发耗时很短；在非运行模式下，ZigBee节点处于睡眠状态，普通情况下两节五号干电池可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。
1.2.2可靠性
使用了免碰撞机制和重发机制，同时预留了专用时隙满足需要固定带宽的通信业务，避免了数据传输时竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，建立了可靠的通信模式。
1.2.3时延短
唤醒休眠状态和通信时延的时延都很短，适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
1.2.4成本低
ZigBee模块的初始成本在6美元左右，而且还在降价，ZigBee协议是免专利费的，所以ZigBee技术成本低。
1.2.5网络容量大
ZigBee可采用星状、串状和网状等网络结构，Zigbee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee无线数据传输模块之间可以相互通信。
1.2.6安全性
采用了AES-128的加密算法。
1.3其他几种短距离无线技术
目前，短距离无线通信技术还有蓝牙、红外IrDA、无线局域网802.1l（Wi-Fi）、短距通信（NFC）n1等。不同的无线通信技术有不同的特点，或能满足耗电量、传输速度、距离的特殊要求；或能扩充系统的功能；或符合某些单一应用的特殊要求等。根据它们的点被分别应用在各个不同的领域。
2无线数据传输系统结构设计
2.1整体设计方案
基于ZigBee技术设计的无线传感器网络有覆盖范围广的特点，系统由多个自给供电的ZigBee节点组成，每个ZigBee节点都可以进行周围环境数据的采集、简单计算以及与其他节点及外界进行通信。这种多节点的特征可以使众多传感器的协同合作进行高质量的传感，从而组成一个容错性急哦啊好的的数据传输采集系统。
无线数据传输系统通过传感器将捕捉的现场信号转换为电信号，经模/数转换器、ADC采样、量化、编码成为数字信号后存人数据存储器，然后通过无线方式将数据发送给接收端进行处理。基于嵌入式系统的ZigBee基站节点完成处理各个传感器节点接收到的数据信息和外界的无线通信。
系统采用部分网状（PartialMesh）拓扑结构，使每个节点的范围被成倍地扩大。大部分短距离无线技术最大范围一般为10m或更短，但是部分网状结构没有最大通信距离的限制。因为它所有的节点都被用作中继器或路由器，数据传输的时，将要传输的数据放在一个数据包里，数据包从一个节点跳跃到另一个节点，直到到达ZigBee基站节点。然后，由ZigBee基站节点汇总并发送到PC机、服务器、局域网或网络终端进一步传送。如果遇到信号通道阻塞、节点破坏、节点电池没电等问题，一条路径传输失败，信号还可以找到其他的替代路径。
2.2ZigBee无线传感器节点
系统中有相当大数量的自给供电的ZigBee无线传感器节点，ZigBee无线传感器节点的功能是采集需要的数据，与其他节点及外界进行通信，并且将数据发送到各传感器节点组成的通信基站。ZigBee无线传感器节点主要由传感器模块、ZigBee收发模块、微处理器模块、存储模块和电源管理模块五部分模块组成。
电源管理模块主要负责功耗管理和供电功能；传感器模块负责覆盖区域内信息的采集和数据转换；MCU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；ZigBee收发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；存储模块负责存储采集到的数据。
系统中ZigBee节点是由微控制单元（MCU）和RF收发器组成的，其中RF收发器芯片设计了SPI接口与MCU通讯，MCU则连接键盘、显示等人机交互界面、传感器、控制器等。系统的ZigBee节点选择使用16位微处理器MSP430F149，MSP430F149处理器自身具有A/D功能，从传感器得到的模拟信号可以直接送到MSP430F149进行模数转换。RF收发器则选择CC2420，因为CC2420性能稳定且功耗极低，支持硬件的加密、CRC校验。
2.3ZigBee基站节点
ZigBee基站节点硬件部分主要由传感器模块、ZigBee收发模块、ARM模块、存储模块（NANDFlash，64MB-1GB可选）和电源管理模块组成。它主要完成处理各个传感器节点接收到的数据信息和外界的无线通信，并将数据汇总发送到PC机、服务器、局域网或网络终端。
3系统软件设计
数据无线传输系统不仅需要各个功能节点等硬件设备，还要有对应的软件系统将各个功能节点硬件设备串联在一起，从而实现无线传感监测功能。其软件包括基于ZigBee系统组网、传感器数据采集、数据无线通信以及数据上传四个模块，完成数据的从采集到监测中心的整个过程。
3.1ZigBee协议栈设计
系统采用Microchip的ZigBee协议栈，实现了大部分功能。ZigBee协议栈是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。与其他无线协议相比，ZigBee无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求，还提供了一组标准的规范和三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能。
IEEE802.15工作组内的任务组TG4制定了IEEE802.15.4标准，该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，为不同设备之间的低速互连提供统一标准。IEEE802.15.4标准定义了下面的2个层：物理层（PHY层）和媒介层（MAC层）。ZigBee联盟在此基础上建立了网络层（NWK层）以及应用层（APL层）的框架。
ZigBee的优势是相当可观的。IEEE802.15.4定义2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准，它们都使用相同的物理层数据包格式，都是基于直接序列扩频（DSSS）的。ZigBee采用了载波侦听多址/冲突的信道接入技术和完全握手协议。IEEE802系列标准将数据链路层分成两个层：逻辑链路控制和媒介接入控制。发送端将发送数据的请求发送给发送端的MAC层，接到指令后，便以数据帧的形式将信息发送给接收端的MAC，接收端进行信息的处理，处理完毕以后，将反馈的信息同样以数据帧的形式发回给发送端的MAC层，最后发送端依据反馈的信息决定是否发送数据。
3.2软件处理
ZigBee可以实现支持多种网络拓扑结构的功能。考虑到体统成本问题，ZigBee协议中采用了省电模式，使用低功耗的微处理器，ZigBee无线传感器节点采用了唤醒的工作模式。传感器节点的ZigBee通信传输模块置于休眠工作模式在降低功耗的同时也在等待传感器节点的响应。CRC校验能够确保ZigBee基站节点和ZigBee无线传感器节点之间安全的可靠通信。在接受到信息后，ZigBee无线通信传输模块会对信息做一个简单的处理，然后将信息发送到通信基站再进行相关处理。
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