無線傳感器網絡（WSN，Wireless Sensor Network）是由分布在有效區域內具有通訊功能的大量傳感器節點組成，通過無線方式自組織形成網絡系統，節點采集信息并通過無線網絡逐級傳送到監控中。ZigBee是一種介于IEEE 802．11無線局域網與藍牙技術之間的無線通信網絡協議，是基于IEEE 802．15．4無線標準研制開發的有關組網、應用和安全方面的通信技術。ZigBee為用戶提供了一個低成本、低功耗、低復雜度、適中的數據傳輸速率、高容量以及短距離通信等特性的技術平臺。依據該平臺，客戶通過創造性的研發工作，根據具體任務要求設計硬件系統和配備相應的軟件，就可以出色地完成很多任務。

本文采用集成了ZigBee技術和增強型8051內核的SOC芯片CC2530，配合相應的軟硬件，構建了一個無線測控網絡。

該無線測控網絡克服了目前一般無線網絡的穩定性差易崩潰的缺點，支持星型、樹型以及網狀網的拓撲結構，除具有自組織功能外，還研發成功了自愈功能，對網絡的穩定性、健壯性以及提高工作效率都有重大的意義。

下面首先簡述ZigBee協議和Z_Stack協議棧，重點論述自組網的設計實現、網絡自愈功能的研發與實現和該網絡的一個實際應用例子：對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數的遠程實時監控。

1 ZigBee協議體系結構

ZigBee協議體系由稱為層的各模塊組成。每一層為其上層提供特定的服務：

即由數據服務實體提供數據傳輸服務；管理實體提供所有的其他服務。每個服務實體通過相應的服務接入點（SAP）為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。ZigBee協議體系如圖1所示。

主要由應用層（APL）、網絡層（NWK）、媒介訪問控制層（MAC）和物理層（PHY）組成，其中媒介訪問控制層和物理層是由IEEE 802．15．4標準定義的，ZigBee聯盟則定義了網絡層和應用層架構。物理層定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。媒介訪問控制層負責所有的物理無線信道的訪問，并產生網絡信號、同步信號；支持PAN連接和分離，提供2個對等（peer to peer）MAC之間可靠的鏈路。網絡層主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能。應用層框架包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和制造商所定義的應用對象。

基于ZigBee協議應用開發中，用戶只需實現應用層框架即可，應更多的關注應用層框架（創造性發揮也在這一層）。APS主要用于維持綁定表、在綁定設備之間傳送消息。ZDO主要定義設備在網絡中的角色（ZigBee協調器還是路由或者終端），發起和響應綁定請求，在網絡設備之間建立安全機制等。

IEEE 802．15．4標準中定義了兩種設備類型，全功能設備（FYD）與精簡功能設備（RFD）。ZigBee協議也定義了這兩類設備，ZigBee協調器相當于IEEE 802．15．4標準中的PAN協調器，ZigBee路由器擁有IEEE 802．15．4標準中協調器的功能，ZigBee終端是網絡中最便宜的設備，擁有最少的功能。全功能設備（FFD）在ZigBee網絡中能完成拓撲結構中任何功能，而精簡功能設備（RFD）在ZigBee網絡中只能作為終端，且只能與全功能設備（FTD）通信。全功能設備（FFD）與精簡功能設備（RFD）硬件配置是可以完全相同，但在軟件的配置上不同。

網絡拓撲結構由ZigBee協議的網絡層決定，且必須是IEEE 802．15．4標準中定義的兩種類型之一：星型網絡和對等型網絡。在星型網絡拓撲結構中，協調器建網與路由數據的功能，終端節點通過協調器進行通信。在對等網絡中，所有的節點在網絡范圍內都可以進行通信，所有的節點都參與數據傳遞。因此網絡能夠自組織以及通過多跳方式來進行通信（這也為實現自愈功能提供了必要的基礎）。

2 ZSTACK協議棧

CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE 802．15．4的SOC，集成了增強型8051內核，結合上TI的Z_Stack協議棧軟件，可組建網絡，同時加快開發周期，減小開發成本。

Z_Stack協議棧采用操作系統的思想來構建，采用基于優先級的事件輪循機制，當各層初始化完成后進入低功耗模式，事件發生時，喚醒系統進入中斷處理事件函數，結束后繼續進入低功耗模式。操作系統抽象層（OSAL）實現了一個易用的操作系統平臺，通過時間片輪轉函數實現任務調度，提供多任務處理機制。系統中tasksEvents數組中存放著每個任務標志位，輪循判斷各任務標志位來執行對應的任務。Z_Stack協議棧工作流程如圖2所示。

Z_Stack協議棧提供多種任務事件觸發機制，可以直接通過API函數osal_set_event（）設置要觸發的任務標志位；也可以通過設置一個軟件定時器osal_start_timeEx（）函數等待溢出來觸發；最后，也可以通過調用系統消息傳遞機制來觸發任務事件。在進行應用開發時，需要在tasksEvents數組中添加相應的任務，確定任務的ID號。同時在初始化系統任務函數osalInitTasks（）中添加任務的初始化函數，在事件處理函數數組tasksArr［］中添加任務處理函數。每個任務的ID號是唯一的，系統按每次檢測到的任務ID號執行相對應的事件處理函數。

3 具有自愈功能的自組網設計與應用

通過對ZigBee協議體系的研究，利用Z_Stack協議棧在CC2530平臺上，實現ZigBee自愈功能的自組網，傳感器節點對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數進行信號調理和采集后經路由器節點、協調器，再通過GPRS通信方式傳遞到監控中心，實現對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數的實時監控結構如圖3所示。

3．1 自組網的設計

ZigBee無線網絡中，只有一個節點作為協調器，其他節點都是路由器或終端。網絡中每個節點都有兩個地址：64位IEEE擴展地址和16位網絡地址。64位IEEE擴展地址類似于MAC地址，它唯一的標識著每一個設備。16位的網絡地址在節點加入網絡時由其父節點（協調器或路由器）動態分配，該地址僅在路由或者數據傳輸時使用。

ZigBee無線網絡有兩種地址模式，靜態地址分配和樹狀地址分配。協調器確定整個網絡節點數目，每個節點都擁有一個網絡深度，用以指示在其父子鏈路上數據傳輸到協調器所需的最小跳數。協調器的深度為0，而它的孩子節點深度為1。可知，多跳網絡中深度大于1，網絡深度是由協調器來決定的。ZigBee網絡中，假設一個父節點有最大孩子節點數為Cm，網絡最大深度為Lm，一個父節點的最大路由數為Rm，可以計算網絡中每個節點的功能函數Cskip（d）：

式中d是節點到協調器的深度。如果Cskip（d）的值為0，則表明此節點為葉子節點，而Cskip（d）的值大于0，則表明該節點可作為一個父節點，這個父節點可以接收子節點并根據它們是否具有路由能力來分配地址。具體過程是：首先一個子節點的地址被分配，子節點地址比父節點的地址多1，然后其余節點根據下式求出：

An=Aparent+Cskip（d）*Rm+n （2）

式中1≤n≤（Cm-Rm），Aparent代表父節點的地址。

ZigBee協調器在上電后，首先要建立一個無線網絡。在Z_Stack協議棧中，通過函數ZDApp_NetworkInit（）進行網絡初始化，系統檢測到ZDP任務的ZDO_NETWORK_INIT事件，調用處理函數ZDO_StartDevice（）啟動網絡的組建。通過變量logicalType判斷設備類型，如為協調器，則調用ZStatus_t NLME_NetworkFormationRequest（）來完成網絡的組建，同時該函數產生一個回調函數ZDO_Network Formation ConfirmCB（），通過該函數，根據系統消息判斷網絡組建是否成功。

當網絡建立完成并允許新設備加入時，子設備（即子節點）才可以請求加入網絡。在Z_Stack協議棧中，子節點上電后調用ZDApp_Networkl nit（）進行網絡初始化，之后調用NLME_NetworkDiscovery Request（）來尋找射頻范圍內存在的ZigBee網絡，該函數會產生回調函數ZDO_Netwo rk Discovery ConfirmCB（），系統就是通過該函數來得到發現的網絡信息。在發現有已經建好的ZigBee網絡后，調用NLME_JoinRequest（）加入網絡，同時產生回調函數ZDO_JoinConfirmCB（），通過該函數判斷加入網絡是否成功。路由器在網絡中負責信息的轉發，發現鄰居等，同時路由器必須在另一個路由的射頻范圍內，并且持續監聽網絡內傳遞的新信息。終端節點負責各種數據的采集與上傳以及接收下傳命令并執行，同時監聽網絡。

3．2 自愈功能的實現

如果在網絡的正常運行情況下，有路由器因故障離網，導致原有的路由線路破壞。ZigBee提供了實現網絡自愈功能的基礎，在用戶研發的軟硬件配合下，可以實現強大的網絡自愈功能，使得整個網絡不因個別節點的變動而能持續工作。終端節點在這種情況下，又會再次啟動發現網絡加入網絡的過程。但，前提是在終端節點的射頻范圍內存在著可用的路由器。在Z_Stack協議棧中，通過調用zb_ReadConfiguration（）可以訪問非易失性存儲器NV中的信息，其中包括節點的設備類型logicalType，節點的IEEE地址，節點的啟動模式startOptions等重要信息，同時也可以通過調用zh_WriteComqguration（）來寫入這些設備信息，能夠在協議棧中靈活的配置網絡節點，實現整個網絡的自啟動、自組網以及自愈等功能，提高了網絡的穩定性、健壯性也同時提高了網絡的工作效率。

3．3 所研發網絡的一個應用例子

在像無人值守通信基站（或局站）等重要場合，需對基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數實時監控。采用本網絡對基站的各種參數進行采集，軟件設計主要在Z_Stack協議棧的應用層上實現。各種參數信號經過外部調理電路處理后連接到CC2530的模擬IO口，CC2530的ADC轉換模塊采集各個參數并在內部進行定標和各種運算處理。處理后的數據部分供給采集子節點本地使用；部分需上傳的數據經過CC2530的系統觸發數據傳送事件，調用afStatus_tAF_DataRequest（）將數據無線發送給協調器。

協調器接收到各種測量參數對應的無線數據后直接發送至登記注冊過的端點。應用程序將通過AF_INCOMING_MSG_CMD OSAL消息事件處理接收到的數據包（包內主要有：數據組號group ID、發送節點的網絡地址、端點號、數據類型以及各種測量參數對應的數據）。協調器通過對數據包的分析，準確的提取出所需要的節點號以及各種測量參數數據，最后通過GPRS通信方式將采集的數據上傳到監控中心，實現對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數的實時監控。

4 結束語

文中分析了ZigBee協議體系結構各層主要功能，以及ZigBee網絡中兩種網絡拓撲結構；研究分析了TI的Z_Stack協議棧的開發與工作流程，以及自組網、自愈組網的協議開發過程。基于CC2530無線單片機硬件平臺設計了一個具有自組網、自愈功能的ZigBee無線傳感器網絡，很好地實現了網絡的自組網和自愈功能，同時完成了對無人值守通信基站的交流電壓、電流和溫濕度環境等參數的實時監控。該系統應用廣泛，還可以用在其他工業遠程測控、路燈遙測遙控以及環境監測等無人值守領域，有非常好的應用前景和顯著的社會經濟效益。

責任編輯：ct