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zigbee協議范文第1篇

關鍵詞：zigbee協議；無線傳感器；網絡協議

作為互聯在形式上面的擴展，其主要發展的主要技術分別是：傳感器、嵌入式自動化只能技術、RFID以及納米技術。而作為物聯網當中一項關鍵性的技術――無線傳感器網絡，對其的研究已經逐步成為了目前計算機領域當中的一個熱點，它不僅在生產生活，還是在醫學軍事方面的應用都相當的廣闊。但是隨著計算機技術的快速發展，目前各種無線傳感器網絡都是如雨后春筍板出現，這樣一來就不利于各個網絡之間的網節點互聯以及網絡之間的管理。

ZigBee協議的出現標準的規范了網絡直接的節點互聯以及網絡之間的管理，有效的解決了網絡拓展之間存在的問題。

1 無線傳感器網絡的簡介

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域或者是區內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。它綜合了網絡技術的方方面面，并通過了無線網的傳感實現了無處不在的運算理念。圖1為無線傳感網絡的結構示意圖。

由于傳感器一般情況下都是嵌入到各個電子設備當中，外加監測區域環境往往比較復雜，傳感器的網絡節點非常多，導致了網絡的維護十分麻煩甚至就是不能進行維護。因此，導對于無線傳感器的設計要做到網絡容量要大，傳感器體積小，消耗低等特點，以實現自組網絡的動態性，并且還要加強無線傳感器的網絡安全，在無線信道上分布式的控制傳感器所受到的攻擊。

2 Zigbee協議概述

Zigbee協議是在無線網基礎上延伸出來的一種網絡安全協議，Zigbee是一種新興的無線網絡技術，其具有復雜程度低、距離近、功耗低、成本低、低數據速率等特點。其不僅可以適用于各種自動控制以及遠程控制當中，還可以嵌入到不同的設備中去，強大了網絡的應用。Zigbee的發射速率是10～250KB/s，延時時間在15～30ms之間，通訊的有效范圍是10～75m，工作頻率是2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），單個的Zigbee可支持255個網絡節點插入。

2.1 Zigbee協議棧簡介

一個完整的Zigbee協議是從下而上依次由物理層、數據鏈路層、網絡層、應用匯聚層和應用層五個層面組成。其中應用層是面對各種不用應用型業務的最高層用戶；應用匯聚層主要的工作是將不用的應用需求反饋到Zigbee網絡層上；網絡層主要是功能層針對一些網絡問題進行MAC、拓撲、安全等等管理；數據鏈路層又分為LLC和MAC，對輸送過來的數據進行一個邏輯的分析建立，以保證數據管理的正常運行。

2.2 Zigbee的網絡拓撲結構

Zigbee技術目前支持3中通訊技術的網絡拓撲，其中包括星形（Star）、網狀（Mesh）和樹狀（Cluster Tree）。Star網絡技術是一種被常用于長期操作當中的網絡；Mesh網絡則是一種高檢測性的網絡，其可以通過無線網實現多個數據通道互聯的效果，減少故障的發生，提高數據通道的安全性能；Cluster Tree網絡是結合了Star網絡與Mesh網絡兩者的優點，所拓撲出來的一種網絡模式。

3 Zigbee技術的應用

Zigbee技術的發展應該根據當前網絡技術當中所存在問題而進行推廣，以彌補其他無線網技術的短距離、傳送數據少、傳送速率低等缺點，做到低成本、大容量、功耗低、智能化強的特點，以完善傳感器領域的空白作用。

Zigbee技術的開發是一項工作較為復雜的技術工程，其涉及到的技術不僅有網絡領域當中的傳輸、射頻等技術，還涉及到了底層軟件硬件控制等技術。在對Zigbee技術進行無線傳感器網絡開發時，主要也就考慮到網絡的節點以及相適應的功能型軟件。目前，在科研人員的努力之下在硬件上已經將Zigbee技術應用到了射頻芯片等，這些高科技含量的硬件設施降低了開發者的設計要求，只需要在其中加入一些元件就可以實現應節點的應用，在加上Zigbee相關軟件的開發利用，加速了Zigbee系統的設計，已經進一步的簡化了用戶命令接口，普通的用戶只要使用一些簡單的命令，就可以實現Zigbee的網絡控制。

Zigbee是一項新的無線網絡通訊技術，其相應的標準還待于完善，也正是如此Zigbee技術在現實生活中的應用也受到了一定的阻礙。但是不管如何在標準化來臨之前，這是一個技術發展的趨勢，象征著網線網絡時代的真正到來，只有逐步完善無線網絡的標準，才可以實現網絡無處不在的理想。目前隨著Zigbee組織的聯盟，更加加速了IT技術的發展，Zigbee技術也會將變得越來越可靠靈活。

[參考文獻]

zigbee協議范文第2篇

關鍵詞：無線體域網；ZigBee；NS2；時延；丟包率

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）04-0044-03

0 引 言

無線體域網（Wireless Body Area Network，WBAN）又稱體域傳感網（Body Area Sensor Networks，BASN），它是以人體為中心的通信網絡，是由分布于人體表面和人體內部的傳感器和組網設備以及與人體有關的網絡元素構成[1]。WBAN隨著醫療健康領域的飛速發展以及市場的巨大需求，越來越受到學術界和產業界的青睞。

WBAN的業務種類異構，普通業務、緊急業務和按需業務共存，因此其對數據傳輸技術有著特殊的要求[2，3]。當前WBAN主要采用的傳輸技術標準有藍牙、ZigBee、超寬帶（UWB）、紅外和NFC等。而ZigBee技術相比于其他技術具有低復雜度、低功耗、低成本等優點，因此更加適合應用于WBAN的數據傳輸[4]。本文將ZigBee協議應用于WBAN，結合經典的AODV協議，構建了WBAN人體模型；進而利用網絡主流仿真軟件NS2，仿真測試了衡量WBAN的可靠性指標—丟包率和時效性指標—時延，探究了ZigBee協議對WBAN中數據傳輸的適用性。

1 ZigBee短距離無線通信技術的特點

ZigBee因專著于低成本、低速率等要求，它有如下特點：

（1）廉價，ZigBee協議棧簡單，軟件實現簡練，需要的各項成本小[5]，隨著產品產業化的發展，ZigBee通信模塊的價格可降至兩美元左右；

（2）省電，ZigBee收發信息需要的功率很低，工作周期短，附有休眠模式，所以避免了更換電池和頻繁充電；

（3）網絡容量大，每個ZigBee網絡最多可支持255個設備；

（4）安全，ZigBee有鑒權的能力，保證了用戶的私人信息，加強了保密性。此外，ZigBee還有可靠、較大的網絡容量等特點，使ZigBee有較好的應用前景和研究價值[6]；

表1給出ZigBee與其他短距離無線通信技術的對比[7，8]。ZigBee與Bluetooth相比協議棧更簡單，需要的軟硬件資源相對少很多，且可以支持更多的傳感器節點，所以ZigBee的成本低，更方便使用；ZigBee和Wi-Fi技術相比較來說，Wi-Fi的應用相對成本高，功耗大，資源要求多；ZigBee和UWB比較來說，后者有較高的通信速率和較大的數據容量，但缺乏統一性的應用標準；ZigBee和NFC對比來看，ZigBee的通信距離遠大于后者，且功耗更低。因此從理論上講，ZigBee協議適合WBAN體征監測信息的數據傳輸[9]。

2 AODV路由協議

本文依據所建WBAN中數據傳輸的要求，選擇應用AODV（Ad hoc on-demand distance vector routing）路由協議。AODV是一種反應式路由協議，也稱為按需路由協議（On-demand Routing Protocol），僅當有數據傳輸，需要包的傳輸路徑時，才開始進行路由查找。根據國內外學者探究的結果可知，若考慮數據源的數目、模型中節點的可移動性、以及網絡負載問題時，按需方式的路由算法相比于其他的算法有著很大的優勢[10]。

AODV具體工作機制：當網絡中的一個節點準備向網絡中的其他節點發送數據信息時，節點先檢查本身有沒有所要到達目標節點的路由，如果自身沒有儲存所要到達目標節點的路由，就開始以多播的形式發出RREQ（路由請求）報文。在所發的RREQ報文中詳細記錄了源節點和目標節點的網絡層地址，當鄰近節點收到源節點發出的RREQ后，首先進行判斷目標節點是否為自己。如果是，則向發起的節點發送RREP（路由回應）；若不是，則在自己的路由表中查找其中是否有到達目標節點的路由，如果有，仍然向源節點單播RREP，同樣若沒有，則會繼續轉發接收到的RREQ進行進一步查找。概括來說，在AODV路由情況下，網絡中的每一個節點只有在需要進行通信時才會發送路由分組，這樣大大減少了路由查找的開銷[11]。

因此，AODV作為一種經典的路由協議，對于無線體域網涉及的各個體征信息檢測傳感節點之間的數據傳輸來說可以勝任。

3 人體仿真模型的建立

在人身體上的一些關鍵部位，部署具有特定用途的傳感節點，用來實時采集人體的生理信息，在WBAN中，這樣的節點稱為體征信息檢測傳感器節點，它們把采集來的身體的生理信息轉發給匯聚節點，對于人體來說，匯聚節點可由手機充當。匯聚節點再把接收到的信息通過衛星或局域網絡最終傳送到專門的部門，以此來實現對人體健康狀況的實時監測，同時，也可以在自己的手機上儲存身體各項生理指標的正常范圍區間，當源節點送來的某項生理值不在正常范圍區間內時，便會報警提醒所要檢測的主體。上述過程可以通過編寫專門的程序來實現，比如當主體的血糖偏低時，手機會自動啟動鬧鈴功能，假設此時鈴聲設置為A，而當血壓偏高時，鬧鈴將啟動鈴聲B，再進一步，也可以把出現的每種不正常生理狀況的應對策略以及注意事項，儲存在主體的手機里，在鬧鈴提示某種狀況的同時，及時提供一些可行性建議。

本論文根據在人體范圍內構建WBAN的特征：短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本，選擇了ZigBee協議和AODV路由協議來進行無線數據傳輸。

首先，構建一個網絡拓撲結構，考慮模型的現實應用性，仿真以人身高180 cm，并根據所測主要指標的位置以及相對應的比例，設定了十個傳感器節點和一個匯聚節點（由手機來擔任）的坐標，在仿真中以CBR（Constant Bit Rate）包業務發生器來充當人體傳感節點待發送的生理信息，而不涉及具體的信息采集過程以及每個傳感節點采集信息的內部數據差別。因此，在程序中設定匯聚節點只接收其他節點轉發來的信息，而自己不采集信息。具體模型如圖1所示。

圖1 無線體域網體征信息檢測傳感器節點分布圖

本模型中所設節點對應的生理參數均為對人體的健康狀況非常重要的指標，例如：n10心臟起搏傳感器：可以實時采集心臟的跳動情況，并把采集到的信息轉化為相應的代碼，心臟的工作情況對于人體來說至關重要，有其對于有心臟病的群體來說重要性更加突顯；n3 EEG傳感器：能感受大腦皮質電位波形并轉換成可用輸出信號，實時檢測大腦皮層的活動情況；n2，n9血壓傳感器：實時采集人的血壓情況，把采集來的血壓轉化為二進制碼，檢測血壓值的變化，最終防止血壓高或者血壓低帶來人體的危害；n7作為匯聚節點（Sink Node）在此相當于移動通信領域中的基站，保證傳感器網絡與外部網絡進行數據通信。

在人體及人體周圍2 m×2 m范圍內構建由11個節點組成的無線體域網，接著我們創建了10個UDP并把它們附加到10個傳感器節點上，然后為UDP附加1個CBR業務發生器，該發生器可以在業務節點上產生數據包，在n7匯聚節點上，10個傳感器節點采用CSMA/CA機制向n7發送CBR包，根據檢測的業務信息不同設定包的大小不同，表2所列是體征信息檢測傳感節點發送CBR包的大小，其發送速率均為250 Kb/s，仿真運行時間為100 s。

4 仿真分析

為了探究ZigBee協議對無線體域網絡的適用性，利用網絡仿真軟件NS2對構建模型進行了仿真，并對主要衡量可靠性指標的丟包率，以及時效性指標時延進行了測量。在仿真結束后，編寫丟包率和時延的.awk提取文件，從仿真過后產生的.tr文件中，提取出丟包率和時延信息[12]。.tr文件的數據格式如圖2所示。

圖2 .tr文件的數據格式圖

圖2中，數據格式中每一部分的具體內容為：Event分為3種情況s、r、D，分別對應s發送，r接收，D丟包；Time為事件發生時間；Node為處理該事件的節點ID；Layer分為3種情況：RTR路由器Trace，AGTTrace，Mac層；Flags為分隔符；Pkt id為分組ID；Pkt type為分組類型；Pkt size為分組大小；------為分隔符；MAC Layer Info的數據如表3所列；IP Info的數據則如表4所列。

我們從模擬仿真的.tr文件里隨機抽取的一條記錄如圖3所示。

圖3 隨機抽取的.tr文件的一條記錄語句

對上述記錄格式進行解釋如下：在6.828 477 300 s時，一個ID為7的節點MAC層接收了一個CBR分組，這個分組的UID為42959，長度為32 B，源地址為1：0，目標地址為7：1，分組生存周期為30，源地址到目的節點的跳數為2。

進一步編寫“CBR-drop.awk”和“CBR-delay.awk”文件，分別用于從跟蹤文件.tr中統計整個網絡的CBR包的丟包率和CBR包端到端傳輸的時延信息。

圖4為整個網絡的丟包率統計。在仿真運行的100 s內，10個傳感節點共向Sink節點發送24 573個CBR數據包，sink節點共接收24 183個CBR數據包，丟包率為0.015 871。

圖4 整個網絡在仿真過程的丟包率

圖5為發包速率為250 Kb/s時的CBR包端到端傳輸時延統計曲線。從仿真時延圖中可以看出，仿真剛開始時，由于WBAN的收發包機制剛剛建立起來，網絡整體性能不穩定，導致時延不穩定，上下浮動較大，等到網絡整體相對穩定下來后，端到端包的傳輸時延趨于一個相對穩定值0.2 ms。

5 結 語

本文中，WBAN仿真系統采用了ZigBee無線通信協議和AODV路由協議，在發包速率上限250 Kb/s時，丟包率在2%以下，時延不超過0.3 ms，這樣的丟包率和時延值對WBAN系統中進行簡單的體征信息數據傳輸來說，是合理的，即它適用于無線體域網的短距離數據傳輸。該方法和結論對無線體域網及類似無線通信網絡選擇短距離通信協議具有積極的參考價值。

圖5 CBR數據包端到端傳輸的平均時延

仿真中設定的10個傳感節點所發CBR包的優先級等同，而實際中，根據業務QoS需求數據包的優先級應是不同的。下一步將針對不同的CBR包設定不同的優先級，進一步探討ZigBee技術在WBAN中的適用性。

參 考 文 獻

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zigbee協議范文第3篇

關鍵詞：ZigBee；GPRS；糧倉監視；防火防潮

引言

隨著信息技術的不斷發展，尤其是網絡技術的廣泛應用，傳統的倉庫管理方式也朝著智能化方向發展。傳統倉庫管理需要人工實時查看倉庫內的情況，費時費力，效率較低；另外，采用布線方式組成有線網絡監測，存在布線復雜、維護不便、成本高等缺點。因此，采用無線傳感器網絡監測倉庫環境是一個必然發展趨勢，文章提出了基于ZigBee與GPRS協議糧倉遠程監視與防火防潮系統的設計。

1 系統框架設計

文章總體框架如圖1所示，通過溫濕度傳感器節點采集糧倉的溫濕度，通過煙霧傳感器節點采集糧倉附近的煙霧情況，并將采集到的數據報警節點與協調器節點中。然后通過協調器傳送到上位機，并通過上位機界面對數據進行顯示，并將數據存儲于數據庫中。如果糧倉發生異常，通過報警節點將數據發送給SIM300，通過SIM300發送短信或打電話的方式通知值班人員及時到達現場進行處理。

2 基于ZigBee協議的糧倉內部網絡設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的局域網協議，其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率。因此文章通過對ZigBee網絡拓撲結構的分析，采用了其中的網狀網絡作為糧倉內部網絡的拓撲結構。通過ZigBee無線通信技術將糧倉中的一些傳感器連接起來，從而形成一個糧倉內部網絡。以下是各個節點的核心代碼：

協調器節點，用于接收溫度傳感器與煙霧傳感器的數據。

3 上位機界面設計

Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應用程序開發框架。它既可以開發GUI程序，也可用于開發非GUI程序，因此，文章采用Qt進行開發，對該上位機界面進行數據顯示，如圖2所示。

4 數據庫的設計

SQLite是一款輕型的數據庫，它的設計目標是嵌入式的，而且目前已經在很多嵌入式產品中使用了它，在嵌入式設備中，只需要幾百K的內存就夠了。文章采用SQLite數據庫對糧倉所采集的數據進行存儲，如圖3所示。

5 結束語

文章提出基于ZigBee與GPRS協議糧倉遠程監視與防火防潮系統設計，采用網狀網絡組網，實現對糧倉環境溫濕度與煙霧的測量，采集并在上位機界面對節點數據的顯示，通過數據庫對數據進行存儲，通過SIM300實現報警功能，通過實驗證明這種解決方案有很強的實用性，系統運行穩定。對于解決實際應用中有線網絡布線成本過高及不便到達、環境惡劣地區環境溫濕度監測的問題是一個很好的解決方案。

參考文獻

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zigbee協議范文第4篇

關鍵詞：無線傳感器網絡； ZigBee； 網關； GPRS

中圖分類號：TP393.08 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2163（2015）02-

Design of a Lightweight Wireless Sensor Networks Gateway

LI Songtao，ZHOU Chenghu

（School of Computer， Henan Institute of Engineering， Zhengzhou 451191，China）

Abstract：In the design of remote monitoring system of regional environment，the conversion is needed from ZigBee to GPRS.Aimed at the need of interconnection between different wireless communication technology in the system， a new intelligent gateway between two different wireless communication technologies is designed.This gateway is mainly composed of Zigbee and GPRS embedded TCP/IP，and is considered to achieve the conversion of these different protocol through the software and hardware design.The practical results show that the designed gateway satisfies the need of protocol conversion in remote wireless monitoring system.

Keywords：WSN； ZigBee； Gateway； GPRS

0引 言

Zigbee作為一種新興的無線通信技術，其低速率、低成本、低功耗、自配置和靈活的網絡結構，非常適合無線監控系統。而GPRS（General Packet Radio Service）網絡是一種長距離的移動通訊網絡具有信號覆蓋范圍廣、數據傳輸速率高等特點，其協議規程展示了無線和網絡相結合的特征。因此可以通過GPRS技術來拓展ZigBee測量控制網絡的作用范圍。而將兩者的特點結合起來后，就在眾多長距離、多監控點的系統中得到了廣泛應用[1-3].。

基于ZigBee和GPRS的網關設計就是在ZigBee 無線傳感器網絡和互聯網之間搭建一條數據傳輸通道，由此實現Zigbee協議數據包和TCP/IP 協議數據包的相互轉換，并且進一步實現數據在Zigbee 協議和TCP/IP 協議之間的雙向傳輸，完成ZigBee 網絡和IP 網絡的互通。系統設計的關鍵技術就是兩種協議的轉換。

1總體設計及網關作用

在監控系統中，網關的主要功能有[4-5]：

（1） 偵測并選定物理信道，分配ZigBee網絡中的網絡地址，初始化網絡設置；

（2） 配合網絡所采用的MAC算法和路由協議，協助其他網絡節點建立路由；

（3） 完成ZigBee網絡與GPRS網絡之間的協議轉換；

（4） 接收傳感器節點數據，對數據進行分析、融合等處理；

（5） 接受監控中心的命令，對命令分析后轉發給傳感器節點執行。

網關節點由CC2430協調器模塊，GPRS模塊、電源模塊等組成。作為區域環境遠程監控系統的一部分，網關發揮著數據傳輸和協議轉換的關鍵作用。網關在系統中的部署如圖1所示。監控系統內部包含一個Zigbee無線傳感器網絡，由ZigBee數據采集節點構成網狀網絡，所有的數據最終匯聚到網關，再由網關中的協調器節點完成數據的過濾、融合及轉發。除此之外，協調器模塊還具有ZigBee網絡的建立和協議轉換及命令的轉發等功能。GPRS模塊用來進行遠距離數據傳輸，并與遠程服務器建立起TCP/IP連接，數據可以通過Internet傳輸到服務器上，在服務器中完成數據的存儲、顯示和分析，而后根據設定的監控條件發出相應的控制命令，實現對ZigBee數據采集節點的控制。

圖1 網關的部署結構

Fig.1 Structure of？gateway？deployment

2協議棧分析及轉換

2.1 ZigBee協議棧

ZigBee 是電氣電子學會（IEEE） 無線個域網的802.15.4 技術標準，是基于開放系統互聯（OSI） 參考模型的體系結構， 如圖2所示。ZigBee是由多達65 000個無線節點組成的一個無線網絡，在整個網絡范圍內，節點之間可以進行相互通信；每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，延拓至擴展后的幾百米，而且通過增加放大電路，通信距離甚至可延伸成幾公里。在ZigBee 協議棧里，IEEE 802.15.4定義了物理層（PHY） 協議和介質訪問控制層（MAC） 協議；同時，ZigBee 聯盟又制定了網絡層（NWK）、應用支持層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）等協議。一般情況下，用戶則可根據需求及接口來制定應用程序層[6]。

圖2 ZigBee協議棧

Fig.2 Protocol stack of ZigBee

2.2 GPRS技術

GPRS 技術是在GSM（Global System for MobileCommunications，全球移動通訊系統）技術的基礎上發展起來的一種新的移動通信技術，可為用戶提供分組形式的數據業務， 還可在移動用戶和數據網絡之間提供高速的無線數據傳輸。GPRS 采用與GSM 相同的無線調制標準、頻帶、突發結構、跳頻規則以及一般無二的TDMA幀結構。GPRS也是分組交換技術，并且具備實時在線、按量計費、高速傳輸等優點[7]。為方便開發，有些GPRS模塊內嵌了完整的TCP /IP 協議，支持數據的透明傳輸與非透明傳輸，還為用戶提供了更簡單的網絡接口。同時，GPRS模塊將可支持標準的AT 指令集。通過終端設備、終端適配器發送AT 指令來控制移動臺的功能，從而與GSM網絡業務進行交互[8]。

2.3 ZigBee 協議與TCP/IP 協議的轉換

ZigBee協議與GPRS之間的轉換在網關完成，其協議轉換如圖3 所示。ZigBee協調器節點接收到來自ZigBee網絡的數據包后，對數據包進行處理。按照已經定義的數據格式將數據重新封裝由串口發送到GPRS模塊。利用模塊內嵌的TCP/IP 協議，將模塊設置成透明數傳模式，當GPRS聯網成功時，網關將獲得由GSM網絡運營商隨機分配的內網IP地址，此時利用這個IP通過移動運營商的網關訪問Internet網，再將數據發送到服務器上，實現由ZigBee到GPRS的數據傳送。需要注意的是，移動GPRS網關提供的NAT（網絡地址翻譯）端口映射服務具有很短的時效，若需要維持雙向的通信必須設置GPRS-DTU定時發送的心跳數據包，從而保持NAT端口映射。由Internet端向ZigBee端的協議轉換與前述過程相反，按照圖3即可實現類似解決。

圖3 ZigBee協議與GPRS之間的轉換

Fig.3 Conversion？between ZigBee protocol and？GPRS

3網關硬件平臺設計

網關硬件按照模塊化思想進行設計，電路主要由控制器模塊CC2430、GPRS模塊、液晶顯示模塊和電源模塊等組成，其硬件電路結構框圖如圖4所示。CC2430內嵌有加強功能的8051處理器和高效的無線射頻芯片，通過軟件編程的方式將其設置為ZigBee協調器節點。具體設計實現可做如下描述。

3.1 控制器模塊

在該網關系統中，將控制器、協調器和通信模塊集成為一個整體，基于這種結構，就減少了通常網關中單獨使用的控制模塊。由于在協議轉換的全過程并不需要用戶干預，從而實現了透明的協議轉換和數據傳輸。由分析可知，這種設計方案不僅降低了成本，簡化了設計，對網關的可靠性也獲得了一定程度的提升。CC2430內部不僅有加強型的單片機，內置的Flash存儲器還可以保存全部的ZigBee協議棧，并有足夠的空間保證應用程序的流暢運行。

圖4 網關硬件結構

Fig.4 Structure of gateway hardware？？

3.2 GPRS模塊

GPRS模塊采用COMWAY WG-8010組件，其中內置工業級GPRS無線模塊，提供標準RS232數據接口，可以方便地連接RTU、PLC、工控機等設備。完成初始化配置后，網關就可以與服務器端通過GPRS無線網絡和Internet網絡建立連接，實現數據的透明傳輸。

4 軟件設計

4.1 ZigBee協調器軟件設計

ZigBee協調器實現了網絡的建立、傳感器節點的數據收集和節點管理等功能。軟件流程如圖5所示。網關上電后，首先進行硬件的初始化，并掃描可用的通信信道，建立ZigBee網絡，進一步設置網絡的PAN ID，等待傳感器節點加入網絡。當傳感器節點加入網絡之后，接收傳感器節點發送的傳感器數據。協調器通過RS232與GPRS模塊相連，將采集到的數據發送到GPRS模塊。具體來說，協調器軟件設計基于Z-Stack協議棧，使用C語言在IAR嵌入式編程環境下開發。Z-Stack是TI中操作系統、而且是基于優先級的輪轉查詢式操作系統，系統初始化后開始執行操作系統。在操作系統中進行的是一個輪詢式無限循環。協調器的數據收集和串口通信分別部署在兩個不同的任務中，任務之間即通過事件進行通信。

圖5 協調器軟件流程圖

Fig.5 Software flow chart of coordinator

4.2 GPRS模塊參數配置

由于GPRS模塊實現了DTU功能，需要對模塊的一些參數進行配置。基本內容主要有選擇TCP/IP協議作為通信協議；設定遠程主機的IP和端口號；設置DTU的工作模式為自動連接模式，保證模塊掉線后能立即重新連接，最大限度地防止數據丟失；設置DTU串口的通信參數：波特率、數據位、停止位和校驗位。這些參數要和ZigBee協調器的串口通信參數一致，保證串口通信的正常。此外，為了確保遠程數據通信的連續性，還需要設置心跳包的內容（ASCII碼或16進制數據）和時間間隔，心跳包是為了在GPRS通信空閑中避免運營商切斷連接而定時發送的數據包。

5 結束語

本文提出了一種輕量級無線通信網關的設計和實現方案，該方案采用CC2430為核心，在網關內部完成了ZigBee協議與GPRS的轉換，并通過GPRS將數據發送到遠端的具有獨立IP的服務器，實現了數據的遠距離傳輸。系統將近距離的ZigBee通信和遠距離的GPRS通信結合起來，發揮兩種不同特點的無線通信技術的優勢，該網關已在區域環境監控系統中得到了應用，實踐結果表明，該網關可靠性高、抗干擾能力強，具有很好的通用性。

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zigbee協議范文第5篇

關鍵詞：環境監測；ZigBee；WiFi；無線網關

中圖分類號：X83 文獻標識碼：A

引言

隨著環保意識的日益加強，對于環境的監測要求越來越高，不僅監測的參數越來越多，而且監測范圍越來越細，手段也更加靈活。因此，用信息技術來提升環境監測設備不僅可能而且必要。早期環境監測設備中的監控數據多采用有線傳輸或者人工抄表，因其布線繁冗，成本高，位置固定，靈活度低而受到很大限制。智能化的數據采集處理與無線傳輸是環境監測設備的重要發展趨勢。

ZigBee是目前應用最為廣泛的近場無線通信技術之一，具有自組織、低成本、低功耗、高可靠性和短時延的特點，是需要較多傳感控制節點應用的首選。ZigBee工作在2.4GHz ISM頻段，最多可容納65536個節點，節點不僅能進行數據采集，還能以多跳的方式承擔網內節點的數據轉發。但ZigBee單跳通信距離較短，數據傳輸速率最高僅為250kb/s@2.4GHz且不能直接與Internet互聯[1]。

為了拓展通信距離和實現遠程應用，文獻【2】直接給出了基于WiFi的監控方案，但是WiFi節點功耗相對較高，組網方式限制了其覆蓋范圍。文獻【3】采用ZigBee和以太網相結合的方式實現數據采集與遠程應用，具體是通過ARM+Linux控制通信模塊，如GPRS/CDMA或其他以太網接口來實現的。ARM芯片分別與ZigBee和通信模塊相連，通過運行ARM中Linux平臺上的代碼進行總體控制和協議轉換，此類方案雖可實現ZigBee與以太網之間的協議轉換，但是網關的功耗大，成本高，協議轉換效率低，可靠性與穩定性相對較差。

為充分利用ZigBee和WiFi的優點，實現設施環境監測數據與Internet無縫鏈接，拓展設施環境監測設備的應用范圍。本文給出并實現了一種新的ZigBee-WiFi無線網關，該網關以STM32W108及AX22001為核心芯片，通過固化在芯片中的代碼實現ZigBee網絡與WiFi網絡的協議轉換，經測試，該無線網關穩定可靠，功耗低，能夠滿足設現代環境監測對數據采集、無線傳輸和數據遠程應用的要求。

1.網關硬件設計與實現

ZigBee-WiFi無線網關位于ZigBee網絡和WiFi網絡之間，實現兩種不同協議的轉換。本文設計并實現的網關既是ZigBee網絡的協調器，負責構建和配置整個ZigBee無線傳感器網絡，又是WiFi的無線節點，具有收集分發ZigBee節點數據、協議轉換功能。其結構和功能如圖1所示：

圖1 ZigBee-WiFi網關結構能功能

ZigBee部分以STM32W108CBU61為核心芯片，它是集成了符合IEEE 802.15.4標準2.4GHz收發器的32位ARM Cortex-M3微處理器，固化了Ember ZigBee協議棧，支持星型、樹狀和網狀三種ZigBee基本網絡結構[6]。

網關中ZigBee射頻部分在使用片內功率放大器時，無阻擋傳輸距離約為75M，能夠滿足布局簡單，范圍較小的場合。

網關中WiFi部分主控核心芯片AX22001是內置802.11無線網MAC/基帶雙CPU架構的TCP/IP微處理器，其中MCPU負責應用程序和TCP/IP協議處理，WCPU則負責WLAN協議處理以及以太網封包格式的轉換，支持軟件設置TCP 服務器、TCP客戶端以及UDP工作模式。WiFi射頻部分的核心芯片是AL2230S，它工作于2.4GHz頻段，支持802.11b/g。STM32W108與AX22001間的數據交換通過UART完成。

ZigBee和WiFi都使用2.4GHz ISM頻段，其間干擾是影響網關穩定工作的重要因素。ZigBee將工作得2.4GHz頻段劃分為16個信道，信道帶寬為2MHz；WiFi則將該頻段劃分為11個信道，信道帶寬為22MHz。ZigBee與WiFi有12個信道重疊，無重疊信道最多有4個，如圖2所示。

圖2 WiFi與ZigBee信道分配圖

雖然ZigBee信號相對于WiFi屬于窄帶干擾源，WiFi通過擴頻技術可以充分抑制ZigBee信號。同時ZigBee網絡在信道訪問上采用了CSMA-CA碰撞避免機制，通過檢測信道上能量判斷信道狀態，這種信道占用檢測和動態信道選擇的方式對ZigBee和WiFi抗同頻干擾，實現共存非常重要[7] 。在網關的硬件設計中仍需盡可能的將ZigBee和WiFi模塊隔開且用鐵殼覆蓋以減少輻射外泄，軟件設置ZigBee與WiFi信道選擇范圍，以減少二者信道相互重疊的可能性。此外，ZigBee和WiFi模塊分別單獨供電，軟件實現“時分復用”，盡可能避免出現ZigBee和WiFi同時發送數據的情況出現，提高網關無線數據傳輸的可靠性和穩定性。

2.網關軟件設計與實現

ZigBee采用IEEE 802.15.4協議，根據節點地址進行通信，WiFi采用TCP/IP協議，根據IP地址進行通信。ZigBee傳感節點采集到的數據按照IEEE 802.15.4協議傳送到網關，網關解析出數據的有效載荷并轉發給WiFi網絡。當WiFi網絡需要發送數據給ZigBee中節點時，網關會根據TCP/IP數據包中含有的ZigBee節點地址將有效數據轉發到指定節點。網關軟件通過調用協議棧建立并維護網絡通信，數據轉換在應用層上實現。

網關中ZigBee模塊作為協調器，負責ZigBee網絡的建立，信息接收、匯總及傳輸。協調器上電后掃描信道創建ZigBee網絡，選定一個PANID作為協調器的網絡標識，創建路由表，廣播網絡允許節點加入網絡。ZigBee模塊的工作流程如圖3所示：

圖3 ZigBee協調器工作流程圖

WiFi模塊負責WiFi網絡中的數據收發，支持AD-HOC直連和基礎網絡模式兩種通信模式。本文將WiFi節點配置成基礎網絡模式，通過無線路由與上位機進行數據交換。WiFi模塊上電后，初始化硬件和網絡協議棧，設置模塊參數，掃描信道加入無線局域網絡。圖4為WiFi模塊工作流程圖：

圖4 WiFi模塊工作流程圖

ZigBee向WiFi發送數據：網關內的ZigBee協調器接收到節點傳來的數據后將其與發送節點地址通過UART發送給AX22001主MCU，運行在主MCU中的程序將數據及節點地址打包通過WiFi發送出去。WiFi向ZigBee發送數據：AX22001主MCU將接收到的IP數據包解包提取目的節點地址和數據，通過UART將其發送給網關內的ZigBee協調器，協調器根據目的節點地址將數據發送到指定節點上。

3.系統測試與結果分析

為測試ZigBee-WiFi無線網關的運行情況，本文采用多線程技術開發了上位機監控測試程序，其中主線程用來接收數據，發送線程用來發送數據。ZigBee-WiFi網關與測試程序之間通信通過Socket套接字來完成，網關運行在服務器模式下，測試程序運行在客戶端模式下，通信流程如圖5所示。

圖5 socket通信流程圖

測試時將ZigBee采集節點設置為全功能路由節點，外接溫濕度、光強、二氧化碳濃度傳感器。在一112M×49M食品生產車間中布置15個數據采集結點，測試程序運行在PC上，配置PC使得ZigBee-WiFi網關和PC工作在同一無線網絡中。ZigBee-WiFi網關首先加電啟動，然后運行位于WiFi網絡中PC上的測試程序，輸入指定的IP地址和端口后，點擊連接。接收數據結果如圖6所示。

圖6 上位機接收數據

接收到的數據包括ZigBee節點64位全球唯一的物理地址地址，如圖中“0080E102001BC0A8”，接收到的信號的強度RSSI，該參數可被用來判定鏈接質量，其余分別為傳感器測得的環境參數值。同時上位機通過WiFi向ZigBee中所有節點循環依次發送數據，ZigBee節點均可正確接收。經多天連續運行測試，數據傳輸多在單跳內完成且時延小于10ms，丟包與信號強度及頻率有關，據測試結果可知網關丟包率小于1%。上述結果表明設計的網關節點功能符合要求且系統運行穩定、可靠。

4.結論

本文以STM32W108及AX22001為核心芯片設計并實現了一個用于環境監測中的ZigBee-WiFi無線網關。該網關能夠滿足ZigBee與WiFi兩種不同網絡間數據互聯要求，實現了ZigBee網絡與WiFi網絡的無縫連接，拓展了ZigBee網絡的覆蓋范圍，方便與遠程環境監測系統實現無縫連接。同時，該網關較其他方案具有功耗低，結構簡單，組網方便等特點。

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