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摘要：无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器结点组成，具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。该文介绍了ZigBee网络与GSM/GPRS网络相结合实现远程监测的无线传感器网络的软件与硬件总体设计方法。
关键词：传感器网络；数据融合；网络协调器
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)33-1358-02
Wireless Sensor Network Design and Implementation Based on ZigBee
WANG Su-hong
(School of Electronics and Computer Science and Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract: Wireless sensor networks are deployed in the region to monitor a large number of low-cost micro-sensor nodes， with a high density of sensor nodes， network topology changes frequently， as well as the nodes of power， computing power and data storage capacity is limited and so on. This article describes the ZigBee network with GSM / GPRS networks for remote monitoring of wireless sensor network software and hardware design methods.
Key words: sensor networks; data fusion; network coordinator
1 ZigBee标准及其研究应用状况
1.1 ZigBee技术标准介绍
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接传输。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这种技术在楼宇自动化、工业监控领域具有非常广阔的市场空间。
1.2 ZigBee传感器网络的应用
ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。ZigBee无线网络可以被广泛应用于环境监测、物业管理，甚至植入人体的医疗领域。
2 无线传感器网络简介
2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器结点组成，具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。通过无线通信技术自组织构成网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
2.2 无线传感器网络应用
无线传感器网络以其自组织性、体积小、成本低、灵活性等优点，在军事、环境科学、医疗、空间探索、商业等领域有着非常广泛的应用前景。
3 基于ZigBee无线传感器网络技术的设计
3.1 系统整体结构设计
本系统是基于IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的采用GSM/GPRS网络进行数据通信的无线传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GSM/GPRS数据传输模块组成的分布式系统。为了减少网络整体的功耗，降低传感器节点的寿命。方案提出基于分簇结构的两层无线传感器网络监测系统，如图1所示。
为了节省数据传输过程中所消耗的能量，网络可以根据节点间距离的远近划分成簇，基于簇（Cluster）的分层结构具有天然的分布式处理能力，每个簇由相互靠近的传感器节点组成，每个簇成员都把数据传给簇首。簇首就是分布式处理中心即无线传感器网络的一个汇节点，簇首作为本地站点控制者没有能量的限制，它负责收集和协调簇内的节点的监测数据，监测网络的通信网络底层子系统由低数率、低传输范围和能量受限的传感器节点组成；中、上层子系统由高数据率、大传输范围和没有能量限制的一、二级簇首节点组成，二级簇首将底层传感器节点上传的数据进行简单的融合后传送给上层的一级簇首，或将上层簇首发来的控制中心命令发送给节点，一级簇首将收到的本地二级簇首传来的数据进行简单处理上传主控节点，或将上层主控节点收到的监控中心命令下发。
一般情况节点工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，传感器节点在监测的环境发生变化时，通过传感器节点内的监测电路使传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；可大大降低接入汇节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。主控节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给簇首节点；控制中心通过GSM/GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。主控节点通过串口与TC35iGSM/GPRS模块相连，其它传感器节点随机放置，本系统为低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，任意传感器之间可相互协调实现数据通信。主要用于中短距离无线系统连接，提供传感器或二次仪表无线双工网络接入，能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求使现有系统网络化、无线化。系统设计可允许使用第3方的传感器、执行器件或低带宽数据源。系统结构如图1所示。
3.2 硬件设计
3.2.1 节点、簇首的设计与实现
本系统传感器节点选用Helicomm公司的基于ZigBee协议的IP-Link1200无线传感器通信模块。IP-Link1200模块是集成了2.4 GHz射频收发器，高性能低功耗的8位微处理器，数字和模拟I/O，ZigBee网络软件和全波长天线，多点、多拓扑网络层功能于一体的系列无线网络通讯模块。节点由IP1200模块、传感器、LED指示灯、UART接口和对应的MAX3232E串口转换接口芯片（用于连接到PC进行初始配置），以及电源模块组成，传感模块根据具体应用选则。结构框图如图2所示。
3.2.2 ZigBee主控节点设计
分布在传感器网络中的簇首节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，最后由一级簇首传给主控节点，编码处理后经SIEMENS TC35i数据模块通过GSM/GPRS网络传递给中央信息控制中心。Zigbee无线传感器网络中的主控节点在担当网络协调器的同时还要充当传感器节点和GSM/GPRS网络之间的网关。传输数据量比一般节点要大，由IP1200模块、32位嵌入式微控制器、SIEMENS TC35i组成。
Zigbee模块和GSM/GPRS数据模块与微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，由于传感器网络中分布着多个簇首节点，因此控制器要利用软件中断实现对不同ID节点上传数据轮询扫描，使节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。
3.3 软件设计
3.3.1 中央信息控制中心功能设计
中央信息控制中心由监控模块、配置模块、数据库、图形显示几个部分组成。它通过GSM/GPRS网络与网络中的主控节点相连，主控节点与多个簇首节点连接在一起形成具有分布式处理的ZigBee分簇结构的网络，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及根据控制中心要求发送控制信令给不同ID的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
3.3.2 主控节点软件设计
主控节点承担网络协调与网关的作用，操作系统平台选用嵌入式Linux，程序采用C语言来实现。
3.3.3 传感器节点软件主要工作过程
1) 节点初始配置：组网之前要进行单个节点的配置，节点初始配置在PC上进行，传感器节点与GSM/GPRS模块分别通过串口与PC相连通过管理程序写入节点的初始配置信息，包括节点类型：主节点，中间节点，尾节点。配置节点时各个节点的网络ID必须一致，只有具有相同网络ID的节点才能相互通信。节点ID用来标识同一网络中的不同节点，同一网络中节点ID不能重复，数据传输时就是按照节点ID来进行的。此外主控节点的节点ID为0。设置节点MAC层NodeID、设置节点MAC层NetID、选择RFchannel、选择不同的节点射频发射功率（0dBm-24dBm），控制节点的通信范围。对于主节点还要设置：路由规则AODVorCluster Tree，网络层NetID，最大children，最大level。节点设置好之后，启动所有模块即可自动组建网络。
2) 组建网络：由主控节点以无线的方式发送命令将几个节点组成不同形状的网络拓扑，这是IP-Link1200模块用户API接口提供的功能。采用何种网络拓扑在节点配置时预先指定，通过将不同的BlackList写入节点FLASH而实现。可以将任意一个配置好的模块通过串口接到嵌入式控制器上作为主控节点。当某一个节点死亡（断电等原因引起）或超出任何一个节点的通信范围时，可通过网络刷新发现该节点，有两种刷新方式供选择：立即刷新、定时刷新（可设置定时刷新时间）。
3) 数据采集格式：数据采集方式有两种：单次采集、定时采集（可设置定时时间）。每次需要采集的节点可以通过监控中心的软件界面进行选择，采集到的数据以曲线、大屏幕数字形式显示；用户也可以在监控中心通过SMS向GSM/GPRS模块发送命令来采集所需要节点的信息，采集到的传感数据仍然以SMS的方式发送到监控中心。根据具体系统可分别选择GSM短信方式或GPRS方式，也可以直接发送到用户手机上，或通过手机发出监控命令随时掌握监控现场数据。
4 结束语
该文给出了一种简单高效的较大规模的无线传感器网络实现方案，可用于多种无线传感器系统设计中，适合用于温度湿度监控、流量过程数据采集、工业监控、楼宇自动化、制冷监控等领域。随着无线传感器网络市场的进一步发展，ZigBee技术将逐渐成为主流技术标准，获得越来越广阔的发展空间。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2] 马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(4):114-124.
[3] 于海滨,曾鹏,梁韡.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006.
关键词：传感器网络；数据融合；网络协调器
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)33-1358-02
Wireless Sensor Network Design and Implementation Based on ZigBee
WANG Su-hong
(School of Electronics and Computer Science and Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract: Wireless sensor networks are deployed in the region to monitor a large number of low-cost micro-sensor nodes， with a high density of sensor nodes， network topology changes frequently， as well as the nodes of power， computing power and data storage capacity is limited and so on. This article describes the ZigBee network with GSM / GPRS networks for remote monitoring of wireless sensor network software and hardware design methods.
Key words: sensor networks; data fusion; network coordinator
1 ZigBee标准及其研究应用状况
1.1 ZigBee技术标准介绍
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于近距离无线连接传输。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这种技术在楼宇自动化、工业监控领域具有非常广阔的市场空间。
1.2 ZigBee传感器网络的应用
ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。ZigBee无线网络可以被广泛应用于环境监测、物业管理，甚至植入人体的医疗领域。
2 无线传感器网络简介
2.1 无线传感器网络概述
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器结点组成，具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。通过无线通信技术自组织构成网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。
2.2 无线传感器网络应用
无线传感器网络以其自组织性、体积小、成本低、灵活性等优点，在军事、环境科学、医疗、空间探索、商业等领域有着非常广泛的应用前景。
3 基于ZigBee无线传感器网络技术的设计
3.1 系统整体结构设计
本系统是基于IEEE802.15.4技术标准和Zigbee网络协议而设计的采用GSM/GPRS网络进行数据通信的无线传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GSM/GPRS数据传输模块组成的分布式系统。为了减少网络整体的功耗，降低传感器节点的寿命。方案提出基于分簇结构的两层无线传感器网络监测系统，如图1所示。
为了节省数据传输过程中所消耗的能量，网络可以根据节点间距离的远近划分成簇，基于簇（Cluster）的分层结构具有天然的分布式处理能力，每个簇由相互靠近的传感器节点组成，每个簇成员都把数据传给簇首。簇首就是分布式处理中心即无线传感器网络的一个汇节点，簇首作为本地站点控制者没有能量的限制，它负责收集和协调簇内的节点的监测数据，监测网络的通信网络底层子系统由低数率、低传输范围和能量受限的传感器节点组成；中、上层子系统由高数据率、大传输范围和没有能量限制的一、二级簇首节点组成，二级簇首将底层传感器节点上传的数据进行简单的融合后传送给上层的一级簇首，或将上层簇首发来的控制中心命令发送给节点，一级簇首将收到的本地二级簇首传来的数据进行简单处理上传主控节点，或将上层主控节点收到的监控中心命令下发。
一般情况节点工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，传感器节点在监测的环境发生变化时，通过传感器节点内的监测电路使传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；可大大降低接入汇节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。主控节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给簇首节点；控制中心通过GSM/GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。主控节点通过串口与TC35iGSM/GPRS模块相连，其它传感器节点随机放置，本系统为低速率无线传感器网络，射频传输成本低，各节点只需要很少的能量，功耗小适于电池长期供电，可实现一点对多点、两点间对等通信、快速组网自动配置、自动恢复和高级电源管理，任意传感器之间可相互协调实现数据通信。主要用于中短距离无线系统连接，提供传感器或二次仪表无线双工网络接入，能够满足对各种传感器的数据输出和输入控制命令和信息的需求使现有系统网络化、无线化。系统设计可允许使用第3方的传感器、执行器件或低带宽数据源。系统结构如图1所示。
3.2 硬件设计
3.2.1 节点、簇首的设计与实现
本系统传感器节点选用Helicomm公司的基于ZigBee协议的IP-Link1200无线传感器通信模块。IP-Link1200模块是集成了2.4 GHz射频收发器，高性能低功耗的8位微处理器，数字和模拟I/O，ZigBee网络软件和全波长天线，多点、多拓扑网络层功能于一体的系列无线网络通讯模块。节点由IP1200模块、传感器、LED指示灯、UART接口和对应的MAX3232E串口转换接口芯片（用于连接到PC进行初始配置），以及电源模块组成，传感模块根据具体应用选则。结构框图如图2所示。
3.2.2 ZigBee主控节点设计
分布在传感器网络中的簇首节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，最后由一级簇首传给主控节点，编码处理后经SIEMENS TC35i数据模块通过GSM/GPRS网络传递给中央信息控制中心。Zigbee无线传感器网络中的主控节点在担当网络协调器的同时还要充当传感器节点和GSM/GPRS网络之间的网关。传输数据量比一般节点要大，由IP1200模块、32位嵌入式微控制器、SIEMENS TC35i组成。
Zigbee模块和GSM/GPRS数据模块与微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，由于传感器网络中分布着多个簇首节点，因此控制器要利用软件中断实现对不同ID节点上传数据轮询扫描，使节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。
3.3 软件设计
3.3.1 中央信息控制中心功能设计
中央信息控制中心由监控模块、配置模块、数据库、图形显示几个部分组成。它通过GSM/GPRS网络与网络中的主控节点相连，主控节点与多个簇首节点连接在一起形成具有分布式处理的ZigBee分簇结构的网络，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及根据控制中心要求发送控制信令给不同ID的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
3.3.2 主控节点软件设计
主控节点承担网络协调与网关的作用，操作系统平台选用嵌入式Linux，程序采用C语言来实现。
3.3.3 传感器节点软件主要工作过程
1) 节点初始配置：组网之前要进行单个节点的配置，节点初始配置在PC上进行，传感器节点与GSM/GPRS模块分别通过串口与PC相连通过管理程序写入节点的初始配置信息，包括节点类型：主节点，中间节点，尾节点。配置节点时各个节点的网络ID必须一致，只有具有相同网络ID的节点才能相互通信。节点ID用来标识同一网络中的不同节点，同一网络中节点ID不能重复，数据传输时就是按照节点ID来进行的。此外主控节点的节点ID为0。设置节点MAC层NodeID、设置节点MAC层NetID、选择RFchannel、选择不同的节点射频发射功率（0dBm-24dBm），控制节点的通信范围。对于主节点还要设置：路由规则AODVorCluster Tree，网络层NetID，最大children，最大level。节点设置好之后，启动所有模块即可自动组建网络。
2) 组建网络：由主控节点以无线的方式发送命令将几个节点组成不同形状的网络拓扑，这是IP-Link1200模块用户API接口提供的功能。采用何种网络拓扑在节点配置时预先指定，通过将不同的BlackList写入节点FLASH而实现。可以将任意一个配置好的模块通过串口接到嵌入式控制器上作为主控节点。当某一个节点死亡（断电等原因引起）或超出任何一个节点的通信范围时，可通过网络刷新发现该节点，有两种刷新方式供选择：立即刷新、定时刷新（可设置定时刷新时间）。
3) 数据采集格式：数据采集方式有两种：单次采集、定时采集（可设置定时时间）。每次需要采集的节点可以通过监控中心的软件界面进行选择，采集到的数据以曲线、大屏幕数字形式显示；用户也可以在监控中心通过SMS向GSM/GPRS模块发送命令来采集所需要节点的信息，采集到的传感数据仍然以SMS的方式发送到监控中心。根据具体系统可分别选择GSM短信方式或GPRS方式，也可以直接发送到用户手机上，或通过手机发出监控命令随时掌握监控现场数据。
4 结束语
该文给出了一种简单高效的较大规模的无线传感器网络实现方案，可用于多种无线传感器系统设计中，适合用于温度湿度监控、流量过程数据采集、工业监控、楼宇自动化、制冷监控等领域。随着无线传感器网络市场的进一步发展，ZigBee技术将逐渐成为主流技术标准，获得越来越广阔的发展空间。
参考文献：
[1] 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005.
[2] 马祖长,孙怡宁,梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(4):114-124.
[3] 于海滨,曾鹏,梁韡.智能无线传感器网络系统[M].北京:科学出版社,2006.