摘要: ZigBee技术作为低功耗无线传感器网络的主要支撑技术是目前国内外研究的一个热点方向，随着其应用范围的扩大和技术的不断发展，ZigBee技术将给无线通信领域带来深远的影响。文中介绍了ZigBee技术及其应用于低功耗无线通信数据研究的主要进展，讨论了现有的基于ZigBee技术无线通信的设计方法、工作原理、影响因素、过程机理和描述方法，在此基础上，对应用ZigBee技术作为低功耗无线传感器网络的研究前景进行了展望。
引言
近几十年来，随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，美国在20世纪90年代末期开发了现代意义上的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)技术，其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注[1-3]。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于传感器网络、智能建设和信息家电领域，同时也可以嵌入各种设备中支持地理定位功能。ZigBee技术的物理层和链路层主要采用IEEE802.15.4标准，而网络层、安全协议、应用文档和市场推广主要由ZigBee联盟负责，其目标市场是工业、家庭等这些需要应用低功耗、低成本的无线通信。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。而且，采用分层式的网络结构能够在基站位置较远、传感器节点分散的无线传感器网络中进一步节省功率。这些优点使得ZigBee和无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注。
WSN网络节点以自组织的方式部署，网络必须有很强的自组织性、自适应性和鲁棒性，网络协议和算法都必须是分布式的。另外，WSN属于一种资源受限网络，网络节点的能量、计算能力和存储量都非常有限，尤其是能量的受限，一旦节点的电源耗尽将会直接影响整个网络功能的实现，而网络节点的使用往往是一次性的。所有这些都决定了网络的设计必须以提高系统的能量效率为首要目标。WSN协议栈的5层模型分别对应开放式系统互联参考模型的物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。目前，各层协议还没有标准化[4-9]。功耗设计是一个跨层的设计技术，它不仅能够提高各层的能量效率，同时还能提高网络层、MAC层和物理层的性能。在不同的通信系统中，由于系统的应用目的不同，低功耗设计所起的作用也不尽相同。在码分多址(code division multiple access，CDMA)蜂窝移动通信系统和某些Ad hoc网络中，低功耗设计能够克服远近效应问题，消除干扰，提高信道的空间复用度，最终提高系统的容量。而WSN的低功耗设计是在不牺牲系统性能的前提下，尽可能地降低节点的发射功率，从而降低节点的能耗，提高网络的生存时间和系统的能量效率。
1 ZigBee技术
相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee在功耗和成本方面几乎都是最低的。ZigBee协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成[10]，如图1所示。物理层遵循IEEE 802.15.4协议，是协议的最底层，控制RF收发器工作，承担着与外界直接作用的任务。采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150m。MAC层遵循IEEE 802.15.4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地址寻址。网络层建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES2128对通信加密。应用层应用支持并维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。
基于ZigBee芯片构建的无线传感器网是由一组ZigBee节点以Ad Hoc方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者传感器、感知对象和观察者，它们是传感器网络的3个基本要素；传感器与观察者之间的通信方式是无线，用于在传感器与观察者之间建立通信路径；协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点，传感器网络中的部分或全部节点可以移动，传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。节点间以Ad Hoc方式进行通信。基于ZigBee芯片构建的无线传感器网可以利用GSM(全球移动通信系统)网络、CDMA(码分多址)网络、以太网等来实现数据的传输与控制，如图2所示网络可以采用星形或者混合型拓扑和需求时唤醒ZigBee模块的通信方式，有效降低每个ZigBee传感器节点的功耗，减少传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率。
2 无线传感器网络设计
无线传感器网络具有微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System，MEMS)支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力，这使得WSN的应用前景非常广阔，目前大多应用在监控领域[11-13]。对WSN来说则是网络中节点能量是非常有限的，因为它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为WSN的核心问题。传感器节点耗能的主题是控制器和射频前端，存储器也占一部分。其中路由协议和数据链路协议对节省无线通信模块的能量消耗起着关键影响，针对WSN的能量高效代表性的路由协议如低功耗自适应聚类路由算法，将网络中的节点组成几个簇，每个簇中的簇头负责转发该区域的信息给基站。另外，整个网络栈各层间的交互也会消耗一部分能耗，跨层优化设计减少了层间的交互通信，从而降低网络的能耗。
2.1 传感器网络体系结构
目前，国际上具有代表性的传感器网络的体系结构大概分为两类，第一类是UC Berkeley提出的基于分簇的层次结构模型；第二类是水平结构。分簇层次结构可以有效地使各传感器网络负载均衡，避免路由建立时出现的泛洪问题，具有一定的发展潜力[16]。图3为UC Berkeley提出的基于分簇的层次结构模型。整个网络中由若干无线节点(nodes)组成，无线节点都具有感知、动态自组织和路由的功能，为了将这些节点的感知信息有效地传送给监控中心，系统将一定的区域内的节点分为一簇，簇与簇之间通过簇头转发节点进行簇间信息的转发。最后，通过一簇头转发节点将感知信息通过有线网络传送到控制中心[17]。在这种网络中，进行分簇要经过合理的分组算法，数据链路层可以采用频分多址(frequency division multiple access，FDMA)或时分多址(time division multiple access，TDMA)的方法来实现。
WSN节点的基本组成和功能包括如下几个单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源部分，如图4所示。
2.2 传感器节点低功耗设计
传感器节点消耗能量的模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着集成电路工艺的进步，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。图5所示是Deborah Estrin在Mobicom 2002会议的特邀报告(Wireless Sensor Networks，Part IV:Sensor Networks Protocols)中所述传感器节点各部分能量消耗的情况，从图5中可知，传感器节点的大部分能量消耗在无线通信模块。
2.2.1 通信模块低功耗设计
由于无线通信占了整个WSN能耗主要部分，因此对无线收发系统的能耗管理非常重要[18]。采取以下措施可以减少通信模块的能量损耗：（1）减少通信流量：通过减少通信模块发送和接收的比特数，能降低通信模块的能耗；（2）减少冲突：如果两帧同时发送，它们会相互重叠，结果导致接收到的信号难以辨认，需要重传才能把信息正确发送到目的地。冲突引起的重传造成很大的能量浪费，减少冲突可以有效节约能量；（3）增加错误检测和校正机制：增加错误检测可以尽早发现错误，校正机制可以校正少量比特错误的数据包。错误检测和校正机制可以在给定误码率(bit error rate，BER)的条件下有效减少数据包的重传，从而降低能耗；（4）减少控制包的开销和包头长度：网络协议需要控制包和包头来维护其正常运行，但控制包和包头并不是用户所需的数据，应尽量减少控制包的数量，减小包头长度，从而降低能耗；（5）增加休眠时间：无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在睡眠状态则关闭通信模块。从图5中可以看到，无线通信模块在发送状态的能量消耗最大，而在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，略少于发送状态的能量消耗，在睡眠状态的能量消耗最少。如何让网络通信更有效，减少不必要的转发和接收，就需要在不需要通信时，尽快使模块进入睡眠状态，这是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。还可以使用多跳短距离无线通信方式，在满足通信速率的前提下，可尽量减少单跳通信距离。
2.2.2 处理器模块设计
处理器模块是无线传感器节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成，所以，处理器的选择在传感器节点设计中是至关重要的。低功耗设计中，传感器节点使用的处理器应该满足功耗低，且支持睡眠模式。处理器功耗主要由工作电压、运行时钟、内部逻辑复杂度以及制作工艺决定。工作电压越高、运行时钟越快，其功耗也越大。睡眠模式直接关系到节点的生命周期的长短。根据当今电池技术的发展水平，要使节点在正常工作状态下保持长时间工作是很困难的。目前，使用5号电池供给单片机的无线传感器节点，满负荷工作只能持续十几个小时。为了让这样的系统工作一年的时间，系统需要在绝大多数时间内处在待机或者睡眠状态。这就要求处理器必须支持超低功耗的睡眠状态。随着低功耗电路和系统设计技术的提高，目前，已经开发出很多超低功耗微处理器。除了降低处理器的绝对功耗以外，现代处理器还支持模块化供电和动态频率调节功能。
3 WSN各层次的低功耗设计
在传感器网络中，由于节点能量受限，网络协议的设计必须融合节能策略。网络协议的首要设计目标是高效使用能量，延长网络系统的生存期。传感器网络无效功耗损耗的来源主要来自以下4个方面：（1）如果MAC协议采用竞争方式使用共享的无线信道，节点在发送数据的过程中，可能会引起多个节点之间发送的数据碰撞。如前所述，冲突引起的重传会造成很大的能源浪费；（2）节点接收并处理不相关的数据。这种串音现象造成节点的无线接收模块和处理器模块消耗更多的能量；（3）节点在不需要发送数据时，一直保持对无线信道的空闲侦听，以便接收可能传输给自己的数据。这种过度的空闲侦听同样会造成节点能量的浪费；（4）在控制节点之间的信道分配时，如果控制信息过多，也会消耗较多的网络能量。故应根据无效功耗产生的途径，分别在网络各层设计中去克服、消除这些能耗，以降低功耗，延长系统寿命[14]。
3.1 物理层
物理层主要负责数据的调制、发送与接收，是决定WSN的节点体积、成本以及能耗的关键环节，是WSN的研究重点之一。物理层的设计目标是以尽可能少的能量损耗获得较大的链路容量。为了确保网络的平滑性能，该层与介质访问控制(MAC)子层密切地相互使用。物理层需要考虑编码调制技术、通信速率和通信频段等问题。WSN物理层协议的研究还处于初级阶段，以下两方面还需要做进一步的研究：（1）硬件方面：目前的WSN节点在体积、成本和功耗上与其广泛应用的标准还存在一定的差距，缺乏小型化、低成本、低功耗的片上系统(system on chip，SOC)实现；细胞计算是实现纳米级组装的新技术，也为WSN的研究提供了新的思路；（2）软件方面：WSN物理层迫切需要符合其特点和要求的简单的协议、算法设计，特别是调制机制。
3.2 数据链路层
数据链路层负责媒体接入控制和建立节点之间可靠的通信链路，主要由介质访问控制MAC组成。在WSN中，MAC协议决定无线信道的使用方式，在传感器节点之间分配有限的无线通信资源，用来构建传感器网络系统的底层基础结构。MAC协议处于传感器网络协议的底层部分，是保证WSN高效通信的关键网络协议之一，对传感器网络的性能有较大影响。WSN的MAC协议一般采用基于预先规划的机制(如TDMA)来保护节点的能量。其中，射频模块是节点中最大的耗能模块，是优化的主要目标。媒体访问控制(MAC)协议直接控制射频模块，对节点功耗有很大的影响。MAC协议在降低功耗方面主要采用的方法有减少数据流量、增加射频模块休眠时间和冲突避免等。而减少数据流量是最根本的解决方案，目前，主要靠在网络层或者在数据链路层上增加一个数据融合层来实现，但在MAC层是否能够进行数据融合以及如何进行数据融合是研究较少的领域，还没有成熟的研究成果。此外，节点在没有数据接发时，关闭射频模块，转入休眠状态。这种方法可以降低工作占空比，减少串扰和空闲侦听带来的能量浪费，代价是增加延迟和降低系统的吞吐率。目前的研究主要集中在工作/休眠策略制定、突发数据流的自适应、节点同步机制等方面。
3.3 网络层
网络层的主要任务是发现和维护路由[15]。网络层的主要设计目标是能源有效性路径的建立；可靠数据转发机制的形成；最长网络生命周期的实现。对于网络层而言，提高能量效率可以从几个方面着手：（1）加快网络冗余数据的收敛，以多跳方式转发数据包选择能量有效路由。（2）传感器网络的路由协议设计原则是采用简单算法，故不宜在节点保存太多的状态信息，且节点间不能交换太多的路由信息。（3）和传统的以地址为中心的路由协议不一样，WSN的路由协议是以数据为中心的，没有一个全局的标识，一般是基于属性的寻址方式，通常采用按需的被动式路由方式。目前，WSN路由协议都假定传感节点和终端节点是静态的，但是，在战场环境或侦查等应用中，可能需要节点可移动，因此，新的路由算法需要在考虑能源有效性的前提下提供对节点移动的支持。在一些应用中，需要将传感节点收集的信息传送到任务管理节点，或者需要将任务管理节点对数据的查询信息传送到传感节点，因此，将传感器网络和外部网络(Internet)结合在一起的路由协议也是未来研究的新方向。
3.4 应用层
应用层与具体的应用场合和环境密切有关，因此，其设计不可能是通用的，必须针对具体应用的需求进行设计。尽管如此，应用层的主要任务是获取数据并进行初步处理，这一点是共同的。以数据为中心和面向特定应用的特点要求WSN能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效地组织起各个节点的信息，并融合提取出有用信息直接传送给用户。然而，网络节点实现数据采集、计算或传输功能，都需要消耗能量，所需消耗的能量和产生的数据量、采样频率、传感器类型以及应用需求等有关；同时，在短时间内产生的大数据量如果不加处理直接传输，会造成网络拥塞，导致网络寿命缩短。常用的解决途径是采用数据融合技术，利用分布式数据库技术，对采集到的数据进行逐步筛选，达到融合的效果。目前，尽管关于数据融合技术还没有形成一套完整的理论体系和方法，但致力于该项技术研究的人数和这一领域文献数量显著增加，其中，波束生成算法是在WSN中应用较多的具有代表性的方法。
4 结束语
基于ZigBee技术的传感器网络是当前国际上备受关注的、由多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域。根据ZigBee协议提出ZigBee无线传感器网络节点结构，探讨在更大的范围内通过ZigBee无线传感器网络达到对信息的控制和采集,在现实中具有很强的应用性。在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活方式。随着各项技术的成熟和发展，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究将会取得更大的进步，ZigBee技术也将会得到越来越广泛的应用。
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