1.2 ZigBee无线传感器网络构架

1.2.1 ZigBee无线传感器网络的组成

ZigBee无线传感器网络是由PC、网关部分、路由节点部分和传感器节点部分4部分组成的，如图1.2所示。用户可以很方便地实现传感器网络无线化、网络化、规模化的演示、教学、观测和再次开发。

1．PC（数据管理中心）

PC直接面向用户，它负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、应用支撑技术操作等。

2．网关

网关被用于连接传感器网络、互联网等外部网络，各方面能力相对于传感器节点来说较强，可实现几种通信协议之间的转换；同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点（如协调器），有足够的能量和更多的内存与计算机资源；也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

3．路由节点

路由节点主要实现路径选择和数据转发功能。

4．传感器节点

（1）传感器节点的组成

传感器节点负责监测区域内数据的采集和处理。一般的传感器节点主要由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统5部分组成。传感器节点的结构如图1.3所示。

传感器节点各组成部分的作用如下。

① 能量供应模块为传感器节点的其他模块提供运行所需要的能量，可以采取多种灵活的供电方式，通常采用微型电池。

② 传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集，在不同的环境中，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。AD/DA模块负责数据的转换。

③ 处理器模块包括处理器和存储器，负责整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点转发来的数据。处理器模块通常采用通用的嵌入式处理器。

④ 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。数据传输的能量占节点总能耗的绝大部分，所以通常采用短距离、低功耗的无线通信模块。

⑤ 嵌入式软件系统是ZigBee无线传感器网络的重要支撑，其软件协议栈由物理层（PHY层）、介质访问控制层（MAC层）、网络层（NWK层）和应用层（APL层）组成。

传感器节点的设计要符合低成本、低功耗、微型化的特点，这是因为ZigBee无线传感器网络的重要设计目标是将大量可长时间监测、处理和执行任务的传感器节点嵌入到物理世界中。

（2）传感器节点的设计

在无线传感器网络中，节点在不同的状态下具有不同的能量消耗，传感器节点共有以下6种工作状态。

① 睡眠状态：传感器模块关闭，通信模块关闭，能量消耗最低。

② 感知状态：传感器模块开启，通信模块关闭，节点感知事件发生。

③ 侦听状态：传感器模块开启，通信模块空闲。

④ 接收状态：传感器模块开启，通信模块接收。

⑤ 发送状态：传感器模块开启，通信模块发送。

⑥ 长期睡眠状态：表示该节点能量处于阀值，不响应任何事件。

无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问题。但是如果没有合适的无线电源，这一优势就无法体现出来，因此电源效率是设计考虑的关键因素。因为如果必须时常更换电池，那么相关的劳动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。因此，电池必须具有较长的寿命。此外，减小节点尺寸也是在传感器网络设计时必须考虑的设计因素。

传感器节点能量是通过电池供应的。节点能源有限，应考虑尽可能地延长整个传感器网络的生命周期。在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点的能量消耗主要包括传感器模块、信息处理模块和无线通信模块，而绝大部分的能量消耗集中在无线通信模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，传感器节点设计应围绕低功耗进行。

（3）节点限制

传感器节点具有的处理能力、存储能力、通信能力和电源能力都十分有限，所以传感器节点在实现各种网络协议和应用控制中存在以下约束条件。

① 电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本低、分布区域广、部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。

传感器的能耗模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

无线通信模块存在发送、接收、空闲和休眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信息的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大；在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，比发送状态的能量消耗少一些；在休眠状态的能量消耗是最小的。所以，在设计ZigBee无线传感器网络系统时，如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，在不需要通信时传感器节点尽快进入休眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

② 通信能力有限。随着通信距离的增加，无线通信的能量消耗急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下，应尽量减少单跳（即一跳）的通信距离。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，ZigBee无线传感器网络采用多跳的传输机制。

③ 计算和存储能力有限。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络的终端和路由器双重功能。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储完成诸多协同任务成为传感器网络协议设计的挑战。

1.2.2 ZigBee无线传感器网络系统结构

ZigBee无线传感器网络根据不同的情况可以由一个网关、一个或多个路由器、一个或多个传感器节点组成。系统大小只受PC软件观测数量、路由深度和网络最大负载量限制。ZigBee 2007无线传感器网络在没有进行网络拓扑修改之前支持5级路由、31 101个网络节点。传感器网络系统结构如图1.4所示。

1.2.3 ZigBee无线传感器网络工作流程

ZigBee无线传感器网络基于ZigBee协议栈无线网络，在网络设备安装过程、架设过程中自动完成。完成网络的架设后用户便可以由PC、ARM终端，平板电脑或者手持设备发出命令读取网络中任何设备上挂接的传感器的数据，以及测试其电压。简单的工作流程描述如图1.5所示。