基于ZigBee的自愈自组网的设计与应用

摘要：ZigBee技术为低功耗、低成本、低复杂度、适中数据传榆率和且具有自组织功能的无线监控网络的组建提供了坚实的技术基础。为了增强无线网络在无人值守、远程监控等应用中的稳定性及智能化，本文在分析ZigBee协议体系结构以及Z_Stack协议栈基础上，研究了如何基于CC2530组建具有自组网、自愈特性的ZigBee无线网络，通过对无人值守的通信基站的交流电压、电流和温湿度环境等参数的远程实时监控的试验，实现了网络的自组网与自愈功能，增强了网络的稳定性及智能化。
关键词：ZigBee；自组网；Z_Stack；CC2530

无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)是由分布在有效区域内具有通讯功能的大量传感器节点组成，通过无线方式自组织形成网络系统，节点采集信息并通过无线网络逐级传送到监控中。ZigBee是一种介于IEEE 802．11无线局域网与蓝牙技术之间的无线通信网络协议，是基于IEEE 802．15．4无线标准研制开发的有关组网、应用和安全方面的通信技术。ZigBee为用户提供了一个低成本、低功耗、低
复杂度、适中的数据传输速率、高容量以及短距离通信等特性的技术平台。依据该平台，客户通过创造性的研发工作，根据具体任务要求设计硬件系统和配备相应的软件，就可以出色地完成很多任务。
本文采用集成了ZigBee技术和增强型8051内核的SOC芯片CC2530，配合相应的软硬件，构建了一个无线测控网络。
该无线测控网络克服了目前一般无线网络的稳定性差易崩溃的缺点，支持星型、树型以及网状网的拓扑结构，除具有自组织功能外，还研发成功了自愈功能，对网络的稳定性、健壮性以及提高工作效率都有重大的意义。
下面首先简述ZigBee协议和Z_Stack协议栈，重点论述自组网的设计实现、网络自愈功能的研发与实现和该网络的一个实际应用例子：对无人值守通信基站的交流电压、电流和温湿度环境等参数的远程实时监控。

1 ZigBee协议体系结构
ZigBee协议体系由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：
即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。ZigBee协议体系如图1所示。

主要由应用层(APL)、网络层(NWK)、媒介访问控制层(MAC)和物理层(PHY)组成，其中媒介访问控制层和物理层是由IEEE 802．15．4标准定义的，ZigBee联盟则定义了网络层和应用层架构。物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。媒介访问控制层负责所有的物理无线信道的访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供2个对等(peer to peer)MAC之间可靠的链路。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。应用层框架包括应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。
基于ZigBee协议应用开发中，用户只需实现应用层框架即可，应更多的关注应用层框架(创造性发挥也在这一层)。APS主要用于维持绑定表、在绑定设备之间传送消息。ZDO主要定义设备在网络中的角色(ZigBee协调器还是路由或者终端)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制等。
IEEE 802．15．4标准中定义了两种设备类型，全功能设备(FYD)与精简功能设备(RFD)。ZigBee协议也定义了这两类设备，ZigBee协调器相当于IEEE 802．15．4标准中的PAN协调器，ZigBee路由器拥有IEEE 802．15．4标准中协调器的功能，ZigBee终端是网络中最便宜的设备，拥有最少的功能。全功能设备(FFD)在ZigBee网络中能完成拓扑结构中任何功能，而精简功能设备(RFD)在ZigBee网络中只能作为终端，且只能与全功能设备(FTD)通信。全功能设备(FFD)与精简功能设备(RFD)硬件配置是可以完全相同，但在软件的配置上不同。
网络拓扑结构由ZigBee协议的网络层决定，且必须是IEEE 802．15．4标准中定义的两种类型之一：星型网络和对等型网络。在星型网络拓扑结构中，协调器建网与路由数据的功能，终端节点通过协调器进行通信。在对等网络中，所有的节点在网络范围内都可以进行通信，所有的节点都参与数据传递。因此网络能够自组织以及通过多跳方式来进行通信(这也为实现自愈功能提供了必要的基础)。

2 ZSTACK协议栈
CC2530是TI公司推出的一款兼容IEEE 802．15．4的SOC，集成了增强型8051内核，结合上TI的Z_Stack协议栈软件，可组建网络，同时加快开发周期，减小开发成本。
Z_Stack协议栈采用操作系统的思想来构建，采用基于优先级的事件轮循机制，当各层初始化完成后进入低功耗模式，事件发生时，唤醒系统进入中断处理事件函数，结束后继续进入低功耗模式。操作系统抽象层(OSAL)实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。系统中tasksEvents数组中存放着每个任务标志位，轮循判断各任务标志位来执行对应的任务。Z_Stack协议栈工作流程如图2所示。