【導(dǎo)讀】絡(luò)是由分布在各個(gè)區(qū)域的自組織節(jié)點(diǎn)設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)。析這些信息做出決策。無線傳感網(wǎng)絡(luò)最初應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，用以戰(zhàn)地的一些監(jiān)測。著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的越來越廣泛，它成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。傳感網(wǎng)絡(luò)由大量的低成本、資源受限的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，用來部署在復(fù)雜的環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)往往通過電池來供電。ZigBee技術(shù)作為一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、它有自己的協(xié)議標(biāo)。準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，

　　

【正文】 ZigBee 模塊軟件流程 按順序完成初始化協(xié)議棧、無線網(wǎng)絡(luò)能量檢測、選擇合適的信道和啟動(dòng)協(xié)調(diào)器 .此后即可允許溫度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與其連接 ,接收它們傳輸?shù)母鞴?jié)點(diǎn)的溫度值 ,在人機(jī)界面上顯示各溫度監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù) ,并繪制溫度曲線 .同時(shí) ,將各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以備查詢 . 數(shù)據(jù)集中器 ZigBee 無線通信模塊設(shè)計(jì)分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ,只涉及單一的 ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò) ,只需要 1 臺(tái)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器 ,因此在軟件設(shè)計(jì)中不需要網(wǎng)絡(luò)層 ,直接將無線 數(shù)據(jù)收發(fā)程序建立在 MAC 層上即可 .數(shù)據(jù)集中器作為 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器 ,在溫度監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)先于溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)工作 .上電后首先初始化協(xié)議棧 ,然后進(jìn)行能量檢測 ,選擇合適的信道 ,啟動(dòng)無線通信模塊建立 ZigBee 網(wǎng)絡(luò) .此后 ,即可允許溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與其連接 ,接收它們傳輸?shù)母鞴?jié)點(diǎn)的溫度值 .其軟件流程如圖 52 所示 . 圖 52 數(shù)據(jù)集中器 ZigBee模塊軟件流程 Figure 52. Data central ZigBee module software flow chart 溫度測量節(jié)點(diǎn)使用片內(nèi)集成溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可工作的溫度范 24 圍為一 40120℃，典型靈敏度為 記 C，典型工作電流為 300 讓 A。當(dāng)需要進(jìn)行溫度采集時(shí)，把片內(nèi) ADC 的轉(zhuǎn)換通道設(shè)置為片內(nèi)溫度傳感器并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，不用時(shí)關(guān)閉即可，達(dá)到省電目的。此種方法比外接高阻值熱敏電阻溫度傳感器效果還要好，因?yàn)橥饨拥臒崦綦娮铚囟葌鞲衅鳎渖想娏鞯南氖鞘冀K都有的。溫度節(jié)點(diǎn)的電流消耗估算如下 :片內(nèi)溫度傳感器工作時(shí)消耗電流為 300uA。 ADC 工作在分頻后的 4MHZ 時(shí)鐘下，消耗的電流為 100uA，當(dāng)配置為 12位精度時(shí)，一次轉(zhuǎn) 換需 256 個(gè)周期，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 : Tconv= (256+16) *==68us 所以采樣一次溫度消耗的電能為 : (300uA+900uA)*68us==*10mAH RF部分工作在接收模式消耗電流為 27mA，工作在發(fā)送模式消耗電流為 。PHY層數(shù)據(jù)包最大長度為 127字節(jié)，一次通信過程包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收應(yīng)答幀，由于一個(gè)溫度數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量很小，一次就可發(fā)送完畢，不需要多次發(fā)送。按照 通信速率 千字符 /秒，一次通信的所需的時(shí)間為最多為 : 127/62500=2(ms) 一次通信消耗的電能為 : *2ms+27mA*2ms= CC243O 在犯 MHZ 時(shí)鐘下全速運(yùn)行，其內(nèi)核 (不包括盯部分、各種集成的外圍設(shè)備 )消耗電流為 6700 叭。工作在 PMZ 節(jié)能模式，消耗電流為 認(rèn)。則在一個(gè)周期其消耗的電能為 : *9996ms+6700uA*4ms=*105mAH Sleep Timer 工作電流為 認(rèn)，在 105 基本工作周期內(nèi)其有效工作時(shí)間為 : 10s4ms=9996ms 消耗的電能為 : *9996ms=*106mAH 總計(jì)，在一個(gè)基本工作周期即 10 秒鐘內(nèi)，電能的消耗 : E=*108mAH+*105mAH+*l06mAH+*106mAH =*10 5mAH 一天內(nèi)的電能消耗為 : 24**105m AH=*104mAH 拿一只 l00mAH 的電池來說，可支持這樣一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 : 100mAH/=104116 天 104116 天，這個(gè)數(shù)字這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電池本身使用壽命。當(dāng)然，上述計(jì)算只是理論上的，考 慮到電池漏電、信道訪問沖突時(shí)引起的數(shù)據(jù)重發(fā)等因素，實(shí)際使用時(shí)間會(huì)短一些，但也能保證將更換電池的時(shí)間控制再可以接受的范圍內(nèi)。 數(shù)據(jù)集中器是 ZigBee 協(xié)調(diào)器，它上電后，首先初始化協(xié)議棧，然后依下圖 a 傳 25 輸。溫度檢測節(jié)點(diǎn)上電后首先進(jìn)行信道掃描然后依下圖 b 傳輸。軟件流程圖如圖17 圖 53 軟件流程圖 Figure 53. Software flow chart TIMAC 協(xié)議棧提供了 庫文件用以實(shí)現(xiàn) MAC 層底層管理據(jù)收發(fā)。還提供了一些 API 函數(shù)來簡化分配、回 收信息緩沖區(qū)、發(fā)送信息、信入隊(duì)列、出隊(duì)列等操作。表 5列出了其中的一部分函數(shù)及其說明。很多函數(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)體指針，往往有多個(gè)成員項(xiàng)。只有熟悉 ZigBee 通信協(xié)議，正確合理的調(diào)功能函數(shù)，傳入合適的參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。軟件的設(shè)計(jì)就復(fù)雜在這一步。些基本功能函數(shù)為依托，構(gòu)造適合分布式溫度測量系統(tǒng)的上層應(yīng)用程序代碼即下面一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是 macMcPsDataReq_t 結(jié)構(gòu)體的定義 : Type define strict { Mac Event Harsh dry: /*internal use only*/ SData— t made: /*Data Pointer and length*/ MacTxlntData _t internal。 /*internal use only*/ 26 Misact sec: /*Security Parameters*/ MacDataReq_t Mac。 /*DatarequestParaJeters*/ } Mac Maps Data Red _it。 溫度監(jiān)控軟件模塊 溫度監(jiān)控軟件在 Visual Studio 2021 軟件開發(fā)平臺(tái)下利用 C語言開發(fā)完成 ,包含 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)初始化、各監(jiān)測點(diǎn)溫度采集與顯示、溫度曲線顯示、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢等功能 .溫度監(jiān)控軟件模塊組成如圖 54所示 .在系統(tǒng)上電后 ,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)初始化軟件模塊首先開始工作 , 圖 54 溫度監(jiān)控軟件模塊組成 Figure 54. Temperature monitoring software module constitute 27 6 總結(jié)與展望 本文講述了基于 ZigBee 技術(shù)的井下長距離無線通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用 ZigBee 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)井下無線通訊是完全可能的，并成功地實(shí)現(xiàn)了井下無線通訊的設(shè)想。在實(shí)驗(yàn)過程中，為了進(jìn)一步擴(kuò)大系統(tǒng)的功用，在語音通信的同時(shí)，系統(tǒng)增加了采集、傳輸多個(gè)傳感器的實(shí)測數(shù)據(jù)這一功能。實(shí)驗(yàn)表明，兩者完全可以通信而互不影響。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還存在有一些不足之處。例如：系統(tǒng)帶網(wǎng)能力還需加大，以便使傳輸距離更一步增大。性能的增強(qiáng)還需進(jìn)一步研究和更多的實(shí)驗(yàn)測試。 為了順應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)向網(wǎng)絡(luò)化、信息化、虛擬化 、智能化方向發(fā)展的趨勢，在多項(xiàng)科研項(xiàng)目的支持下，本論文中，概括介紹了 ZigBee 技術(shù)的概念、特點(diǎn)、體系結(jié)構(gòu)、國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r等相關(guān)內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上，引出了目前正逐步走向成熟并備受關(guān)注的 ZigBee 技術(shù)。全面深入地對(duì) ZigBee 技術(shù)做了研究分析，重點(diǎn)對(duì)協(xié)議體系結(jié)構(gòu)、 ZigBee 技術(shù)與其他無線通信技術(shù)比較、以及干擾抑制技術(shù)進(jìn)行深入分析，從 ZigBee 技術(shù)的同步算法、 ZigBee 無線通信干擾抑制技術(shù)等關(guān)鍵點(diǎn)上進(jìn)行突破，并以 ，結(jié)合CC2430ZigBee 開發(fā)套件，對(duì) 無線溫度采集 通信 系統(tǒng) 項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。研究所做的工作具體總結(jié)如下： （ 1） .做相關(guān)應(yīng)用背景的研究，做出技術(shù)可行性分析，制定工作計(jì)劃，制定出系統(tǒng)整體方案針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、協(xié)議體系結(jié)構(gòu)以及干擾抑制技術(shù)進(jìn)行深入分析，并與其它無線通信技術(shù)進(jìn)行比較及對(duì)其相互干擾進(jìn)行研究。 （ 2） .對(duì) ZigBee 節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步算法工作原理做了詳細(xì)的研究，總結(jié)了這些算法的優(yōu)缺點(diǎn)，在對(duì)比現(xiàn)有的幾種時(shí)鐘同步算法的基礎(chǔ)上，對(duì)泛洪時(shí)間同步協(xié)議多跳時(shí)鐘同步算法提出了自己的改進(jìn)思路。 （ 3） .完成 無線溫度采集 通信系統(tǒng)的具體軟硬件選型，并給出了通信部分硬件 原理圖及軟件流程的關(guān)鍵部分，在制 PCB 板中電磁兼容問題的解決進(jìn)行了詳細(xì)描述，最后通過實(shí)際通信測試，達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)。 ZigBee 技術(shù)涉及多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，本文所作的設(shè)計(jì)由于時(shí)間及本人水平的限制，加上對(duì) ZigBee 新技術(shù)了解不夠深刻，因此必然很多的不足之處，有非常多的關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步研究和發(fā)現(xiàn)，主要包括以下幾個(gè)方面：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由控制、能量問題、數(shù)據(jù)融合、網(wǎng)絡(luò)安全等。今后繼續(xù)研究下去的思路是： 1） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茖?duì)于無線的 ZigBee 技術(shù)而言非常重要。現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目中，我們往往忽略拓?fù)涞姆治觯?通過拓?fù)淇刂颇軌蛱岣?MAC 協(xié)議和路由協(xié)議的效率，有利于節(jié)省節(jié)點(diǎn)的能量來延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦饕芯康膯栴}是通過功率 28 控制和骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)選擇，消除節(jié)點(diǎn)間冗余的無線通信鏈路，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [16]。本項(xiàng)目在組網(wǎng)方面只做了星型網(wǎng)絡(luò)的研究，今后要在對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面進(jìn)行研究，以便能夠構(gòu)成較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，達(dá)到遠(yuǎn)距離多節(jié)點(diǎn)、經(jīng)過路由完 42 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 2） 路由控制 傳統(tǒng) Inter 是通過 TCP/IP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)。但是在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，不能使用IP。因?yàn)樵?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中 ，常常要用到成千上萬的節(jié)點(diǎn)， IP 中的路由一般是基于固定的地理位置信息的，原因是對(duì)于不斷變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來說，要維持路由表需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源。傳統(tǒng)的距離向量和鏈路狀態(tài)路由協(xié)議不適用于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，理想的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議應(yīng)該具有以下性能 [17]：分布式運(yùn)行、無環(huán)路、支持單向鏈路、考慮安全性、按需運(yùn)行、高效地利用能量和維護(hù)多條路由，所以 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)需要有一套適合自己的控制和路由協(xié)議。 3） 能量問題 很多情況下，項(xiàng)目的能量問題都是系統(tǒng)考慮的重點(diǎn)， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是由電池供電，而電池容量非常有限且不可再生，并且對(duì)于有成千上萬節(jié)點(diǎn)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)來說，更換電池非常困難，但是卻要求網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間長達(dá)幾年甚至數(shù)年。如果網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰亢谋M而不能工作，則會(huì)帶來網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果的改變以及路由的重新建立，甚至造成通信的中斷。所以，在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的電池能量設(shè)計(jì)中 [18]，既不能影響系統(tǒng)功能，又要盡可能地節(jié)約能量。在功能上， ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮兩點(diǎn)原則：第一，減少不必要的功能、延長網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)間以及突出的專用性。第二，可以設(shè)計(jì)專門的提高網(wǎng)絡(luò)能量效率的協(xié)議以及采用專門的技術(shù) ，例如物理層可以采用超寬帶無線通信技術(shù)， MAC 層可以采用適合節(jié)點(diǎn)在休眠和工作狀態(tài)間切換的接入?yún)f(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層可以以能量作為路由度量等。此外，還可以采用跨層設(shè)計(jì)的方式，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率。另外，我們可以考慮利用可再生能源給 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)供電，如太陽能、風(fēng)能、生物能等。 4） 數(shù)據(jù)融合 由于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)存在能量的約束，所以在從各個(gè)節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)的過程中，可以利用節(jié)點(diǎn)的本地計(jì)算和存儲(chǔ)能力處理數(shù)據(jù)的融合，去除冗余信息，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。由于節(jié)點(diǎn)的易失效性， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)也需要數(shù)據(jù)融合技術(shù)對(duì)多份數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合 ，提高信息的準(zhǔn)確度。數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以與 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)協(xié)議層次進(jìn)行結(jié)合。且數(shù)據(jù)融合技術(shù)己經(jīng)在目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別和目標(biāo)跟蹤領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，只有面向應(yīng)用需求設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)融合方法，去除冗余的數(shù)據(jù)信息，才能更加優(yōu)化系統(tǒng)。 5） 網(wǎng)絡(luò)安全 29 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)作為任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，不僅要進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，而且要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和融合、任務(wù)的協(xié)同控制。所以怎樣保證任務(wù)執(zhí)行的機(jī)密性、數(shù)據(jù)產(chǎn)生的可靠性、數(shù)據(jù)融合的高效性以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，就成?ZigBee 網(wǎng)絡(luò)安全問題需要全面考慮的內(nèi)容。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)受到的安全威脅與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)所受到的安全威脅不同，所以現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制不適合此領(lǐng)域，需要開發(fā)針對(duì) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的專門協(xié)議。一種思路是從維護(hù)路由安全的角度，尋找確保網(wǎng)絡(luò)的安全。安全路由協(xié)議一般采用多路徑路由、身份認(rèn)證、鏈路層加密和鑒權(quán)、雙向連接認(rèn)證和認(rèn)證廣播等有效機(jī)制，增強(qiáng)路由的安全性，提高網(wǎng)絡(luò)抵御信息竊取和外部干擾的能力。另一種思路是把著重點(diǎn)放在安全協(xié)議方面主要有兩種方式：密鑰管理：在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有很多限制，因?yàn)橥ㄐ诺暮碾妼⒋笥谟?jì)算的耗電量，所以在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中去除冗余數(shù)據(jù)，盡量減少通信 [19]。安全組播： ZigBee 網(wǎng)絡(luò)為了防止信息提供者向網(wǎng)絡(luò)注入偽造信息，需要在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中利用基于源端認(rèn)證的安全組播。本文沒有考慮在其他節(jié)點(diǎn)非法侵入和破壞信息的情況，今后將在數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩矫孢€要做一定的研究。由于 ZigBee 工作在 的免費(fèi)頻段上，在這個(gè)頻段上有很多種的無線通信技術(shù)，所以網(wǎng)絡(luò)會(huì)受到很大的干擾，今后 EMC 上進(jìn)行更深入的研究，要在硬件和軟件上多做些抗干擾措施。另外，由于目前僅處于起步階段，著重考慮的是可行性，因此整個(gè)系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)和搭建的思想，將不同的模塊通過串口連接。如果 要實(shí)際應(yīng)用，則需要將各模塊集成在一起，不僅能減少體積，而且能提高系統(tǒng)的可靠性。 30 參考文獻(xiàn) [1]蔣挺，趙成 .ZigBee 紫峰技術(shù)及其應(yīng)用 [M].北京郵電大學(xué)出版 .2021. [2