無線自組網(wǎng)絡節(jié)點能耗決定整個網(wǎng)絡的生命周期，基于IEEE 802．15．4協(xié)議的ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，路由節(jié)點沒有傳感器電路，由于實現(xiàn)功能不同，兩種節(jié)點軟件驅(qū)動也不同。協(xié)調(diào)器軟件設計包括初始化設備、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點入網(wǎng)以及數(shù)據(jù)信息處理（包括數(shù)據(jù)收發(fā)功能）等。

目前，針對一定區(qū)域內(nèi)信息和設備進行監(jiān)測和控制多采用有線方式通信，網(wǎng)絡在布線和維護過程中由于線路腐蝕和損壞造成網(wǎng)絡中斷，給正常生產(chǎn)工作帶來影響，同時也增加了人力資源成本比重?；诖?，從節(jié)省成本和網(wǎng)絡穩(wěn)定性考慮，給出一種基于ZigBee技術的多節(jié)點設備無線自組網(wǎng)設計方案。

基于IEEE 802．15．4協(xié)議的ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡容量大、可靠性和安全性高等特點。采用ZigBee無線模塊的傳感器節(jié)點只需要很少的能量，就可以在多個傳感器之間相互協(xié)調(diào)，以接力棒的方式利用無線傳輸將數(shù)據(jù)信息從一個傳感器傳到另一個傳感器。ZigBee數(shù)傳技術目前被廣泛應用到無線工業(yè)、精準農(nóng)業(yè)、家庭和樓宇自動化、消費家電以及醫(yī)療服務等領域，是國家“十二五”規(guī)劃中信息技術重點扶持方向。本文主要內(nèi)容包括網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計、ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡結構實現(xiàn)和無線Mesh網(wǎng)絡測試。系統(tǒng)利用終端節(jié)點采集數(shù)據(jù)，通過多跳路由匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)多節(jié)點設備無線自組網(wǎng)。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結構如圖l所示，采用基于樹狀Mesh拓撲結構?，網(wǎng)絡由協(xié)調(diào)器節(jié)點（Coordinator）、路由節(jié)點（Router）和終端節(jié)點（End Device）3種類型的功能模塊構成。

圖l 基于樹狀無線Mesh拓撲網(wǎng)絡結構圖

2 無線自組網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

無線自組網(wǎng)絡節(jié)點能耗決定整個網(wǎng)絡的生命周期，從硬件結構看，節(jié)點能耗主要在微處理器模塊，選擇高性能低功耗微處理器可以降低節(jié)點能耗，延長網(wǎng)絡生命周期?；诖?，采用TI公司的CC2530作為主控芯片，用于ZigBee無線模塊的片上系統(tǒng)，內(nèi)部集成射頻收發(fā)器、增強型8051內(nèi)核、8 KB RAM，封裝小、功耗低。

2．1終端節(jié)點和路由節(jié)點

終端節(jié)點主要負責ZigBee數(shù)據(jù)采集，通過射頻電路傳送信息到協(xié)調(diào)器節(jié)點。路由節(jié)點允許子設備加入網(wǎng)絡，多跳路由并協(xié)助終端節(jié)點進行通信，完成數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，延長數(shù)據(jù)傳輸距離。兩種節(jié)點硬件電路結構如圖2所示。

圖2 終端和路由節(jié)點硬件結構圖

路由節(jié)點沒有傳感器電路，由于實現(xiàn)功能不同，兩種節(jié)點軟件驅(qū)動也不同。傳感器電路負責ZigBee數(shù)據(jù)采集并完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；片上系統(tǒng)CC2530負責對采集信息進行處理以及整個節(jié)點設備的任務管理（包括無線信號的收發(fā)處理以及ZigBee協(xié)議操作）；電路射頻部分采用阻抗匹配電路與天線饋線組成，用一個巴倫優(yōu)化處理，滿足輸入輸出匹配電阻（50 歐）要求；液晶電路顯示節(jié)點狀態(tài)；Flash ROM負責存儲數(shù)據(jù)信息；按鍵電路方便用戶對節(jié)點設置，如收發(fā)數(shù)據(jù)時通過按鍵配置；LED電路指示網(wǎng)絡連接狀態(tài)。

2．2協(xié)調(diào)器節(jié)點

協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結構圖如圖3所示。節(jié)點負責整個網(wǎng)絡初始化，確定ZigBee網(wǎng)絡ID號和操作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址分配，提供數(shù)據(jù)路由和安全管理服務。協(xié)調(diào)器節(jié)點與終端節(jié)點以及路由節(jié)點最大的區(qū)別在于：

（1）協(xié)調(diào)器節(jié)點通過SP3232電路與上位機通信，由于PC與單片機之間接口不一致，通過SP3232實現(xiàn)USB到串口轉(zhuǎn)換；

（2）協(xié)調(diào)器節(jié)點負責與終端節(jié)點或者路由節(jié)點進行信息通信，不具有ZigBee采集采集功能。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件結構圖

3 ZigBee協(xié)議棧軟件設計

系統(tǒng)設計ZigBee協(xié)議選擇ZigBee-Pro，協(xié)議棧版本為ZSTACK-CC2530-2.3.O-1.4.0。整個系統(tǒng)無線網(wǎng)絡由事先被定義為協(xié)調(diào)器的主節(jié)點建立。

3．1協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設計

協(xié)調(diào)器軟件設計包括初始化設備、協(xié)調(diào)器組網(wǎng)、路由節(jié)點和傳感器節(jié)點入網(wǎng)以及數(shù)據(jù)信息處理（包括數(shù)據(jù)收發(fā)功能）等。協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后監(jiān)測到ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡，則協(xié)調(diào)器節(jié)點作為路由節(jié)點加入到該網(wǎng)絡；若監(jiān)測無網(wǎng)絡，則該節(jié)點作為協(xié)調(diào)器節(jié)點構建ZigBee網(wǎng)絡，終端節(jié)點和路由節(jié)點加入到該網(wǎng)絡。ZigBee網(wǎng)絡在2．4 GHz頻帶劃分16個信道，步長值為5 MHz，編號為1l～26。協(xié)調(diào)器通過調(diào)用函數(shù)MAC_MlmeScanReq（（macMlmeScanReq_t*）pData）對信道能量掃描，能量水平高標志該信道無線信號活躍，協(xié)調(diào)器根據(jù)能量掃描信息選擇一個可以利用的信道建立自己的無線網(wǎng)絡。另外，每個協(xié)調(diào)器設備已經(jīng)具有唯一固定的64 bit MAC地址作為組網(wǎng)標識，同時必須分配給自己一個16 bit的網(wǎng)絡短地址（PAN ID），節(jié)點設備使用短地址通信可以使網(wǎng)絡更輕量級、更加高效。協(xié)調(diào)器默認網(wǎng)絡短地址為0x0000。協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是對網(wǎng)絡中各子節(jié)點進行管理，接收各子節(jié)點的狀態(tài)信息并將信息上報上位機進行數(shù)據(jù)處理。圖4為協(xié)調(diào)器通信流程圖。

圖4 協(xié)調(diào)器通信流程圖

3．2 路由節(jié)點軟件設計

路由節(jié)點一旦監(jiān)測到網(wǎng)絡便會自動綁定到一個相應的協(xié)調(diào)器節(jié)點或者父路由節(jié)點，申請加入網(wǎng)絡。作為入網(wǎng)申請，無論是路由節(jié)點還是終端節(jié)點，都需要對設備進行配置，作為路由節(jié)點令logiclType=ZG_DEVICETYPLROUTER，通過調(diào)用函數(shù)zb_WriteConfigration（ZCD_NV_LOGICAL_TYPE，sizeof（），&logicalType）選擇路由節(jié)點。路由節(jié)點申請入網(wǎng)成功后若有其他節(jié)點申請加入，需要判斷申請節(jié)點是路由節(jié)點還是終端節(jié)點，為節(jié)點配置系統(tǒng)加載項，完成節(jié)點入網(wǎng)工作。若節(jié)點入網(wǎng)成功則該路由節(jié)點為申請入網(wǎng)節(jié)點分配網(wǎng)絡地址。通過多跳數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制進行數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)選擇的路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡的連通性，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收通過應用層調(diào)用完成數(shù)據(jù)幀ACK應答機制。圖5給出了路由節(jié)點通信流程圖。

圖5 路由節(jié)點通信流程圖

3．3 終端感知節(jié)點軟件設計

終端感知節(jié)點主要完成信息采集，通過路由節(jié)點傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點以RS232方式進行傳輸供上位機對數(shù)據(jù)進行處理。終端節(jié)點上電后，對節(jié)點設備進行配置，令1ogicalType=ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE，通過調(diào)用ZD0_Start（）申請加入父節(jié)點。但是在終端節(jié)點入網(wǎng)之前，路由或者協(xié)調(diào)器節(jié)點無法獲得終端節(jié)點的網(wǎng)絡地址，可通過對設備綁定解決該問題。終端節(jié)點調(diào)用zb_Bind_DeviceRequest（）發(fā)出綁定請求，并通過zb_AllowBindResponse（）對配對請求作出響應，同時路由或者協(xié)調(diào)器節(jié)點執(zhí)行zb_BindDevice（TRUE，clusterID，NULL）與終端節(jié)點發(fā)生綁定，如果綁定成功則綁定表建立在路由或者協(xié)調(diào)器節(jié)點上，綁定表中的ClustedD（簇標識符）值相等，且屬性相反。通過clustedD獲得終端節(jié)點的網(wǎng)絡地址，綁定成功后終端節(jié)點執(zhí)行zb_sendDataReques（）周期性發(fā)送采集的數(shù)據(jù)信息。圖6為終端節(jié)點通信流程圖。

圖6 終端節(jié)點通信流程圖

4 節(jié)點網(wǎng)絡自組織和自愈功能測試

進行ZigBee組網(wǎng)測試時，通過設置4個節(jié)點（其中1個協(xié)調(diào)器節(jié)點、兩個路由節(jié)點、1個終端感知節(jié)點）進行自組和自愈網(wǎng)絡測試。采用串口調(diào)試助手和TI公司監(jiān)控軟件ZigBee_Sensor_Monitor進行組網(wǎng)測試。串口配置：端口號COM8，波特率38 400 bps、8位數(shù)據(jù)位、l位停止位。測試過程中，系統(tǒng)通過串口實現(xiàn)協(xié)調(diào)器與上位機監(jiān)控端通信。協(xié)調(diào)器匯聚各個節(jié)點采集的信息，串口接收到的數(shù)據(jù)幀定義如表l所示。

表l 數(shù)據(jù)幀格式

由于每個網(wǎng)絡只能擁有網(wǎng)絡內(nèi)唯一一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通電后，初始化其中64位IEEE地址為0x00124B000lFA9D87，網(wǎng)絡短地址PAN lD為0x00100，協(xié)調(diào)器執(zhí)行zb_BindDevice（）接收其他節(jié)點綁定請求，組建網(wǎng)絡。

路由節(jié)點l上電后，自動搜索父節(jié)點（即協(xié)調(diào)器節(jié)點）加入網(wǎng)絡，入網(wǎng)成功則路由節(jié)點l周期性發(fā)送節(jié)點信息經(jīng)協(xié)調(diào)器上傳到PC端，串口接收到數(shù)據(jù)信息為0x（FE 0A 46 87 01 00 02 00 04 00 FF FF 00 00 CC），根據(jù)表l中對數(shù)據(jù)幀定義，其中路由節(jié)點l短地址PANID為0x000l，其父節(jié)點PAN lD為Ox0000。繼續(xù)將路由節(jié)點2上電加入到網(wǎng)絡中，路由節(jié)點2搜索父節(jié)點（即協(xié)調(diào)器節(jié)點），入網(wǎng)成功后路由節(jié)點2周期性發(fā)送數(shù)據(jù)信息，上位機通過串口接收數(shù)據(jù)信息為0x（FE OA 46 87 3E 14 02 00 04 00 FF FF 00 00 E7），根據(jù)表l中對數(shù)據(jù)幀定義，其中路由節(jié)點2短地址PAN ID為0x143E，其父節(jié)點PAN ID為0x0000。

繼續(xù)將終端節(jié)點上電加入到網(wǎng)絡中，終端節(jié)點自動搜索并綁定到距離其最近的路由節(jié)點2，成功入網(wǎng)后終端節(jié)點周期性地將采集到的信息通過路由節(jié)點2和協(xié)調(diào)器節(jié)點上傳到PC端。串口接收數(shù)據(jù)信息為：0x（FE 0A 46 87 6D 28 02 00 04 00 14 23 3E 14 95），其終端節(jié)點短地址PAN ID為0x286D，其父節(jié)點PAN ID為0x143E，信息位0x14表示當前采集溫度為20℃，4個節(jié)點無需人工干預，組網(wǎng)成功，實現(xiàn)了網(wǎng)絡拓撲結構的自動組建功能。終端節(jié)點入網(wǎng)成功后通過上位機組網(wǎng)監(jiān)控界面如圖7所示。

圖7 節(jié)點組網(wǎng)結構

設定路由節(jié)點2故障，中斷信號傳輸，則終端節(jié)點會自動搜索網(wǎng)絡找到距離其最近的父節(jié)點（即路由節(jié)點1），綁定并入網(wǎng)成功，同時周期性地向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集數(shù)據(jù)信息。串口接收到的數(shù)據(jù)信息為：0x（FE 0A 46 87 30 14 02 00 04 00 13 23 0l 00 D8）。其中終端節(jié)點短地址PAN ID為0x1430，其父節(jié)點PAN ID為0x0001，信息位0x13表示當前采集溫度為19℃。當節(jié)點2發(fā)生故障時，網(wǎng)絡能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應的調(diào)整，無須人工干擾，系統(tǒng)能夠正常工作。節(jié)點自我修復后上位機組網(wǎng)監(jiān)控界面如圖8所示。

圖8 節(jié)點修復組網(wǎng)結構圖

本文給出了一種基于ZigBee無線模塊多節(jié)點設備無線自組網(wǎng)方案，詳細介紹了ZigBee數(shù)傳模塊節(jié)點硬件電路和軟件系統(tǒng)設計，通過對多個節(jié)點進行ZigBee數(shù)據(jù)采集測試完成網(wǎng)絡的自組織連接和自愈修復功能，使網(wǎng)絡系統(tǒng)運行正常。節(jié)點設備具有通信協(xié)議簡單可靠、靈敏度高、測量準確、功耗低，節(jié)點布置靈活、系統(tǒng)易于擴展等優(yōu)點。另外，系統(tǒng)可應用于農(nóng)村蔬菜種植、花卉園藝等各種類型溫室大棚環(huán)境的智能化監(jiān)控、智能家居節(jié)點設備的組網(wǎng)、工業(yè)節(jié)點的無線定位、醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)等領域，具有較大的市場競爭力和廣闊的應用前景。