ZigBee 传感网连接故障诊断及处理

摘要：ZigBee传感网作为一种低功耗、低成本、覆盖范围广、高可靠性的无线传感器网络技术，适用于需要长期监测和数据采集的应用场景。然而，连接故障可能会影响 ZigBee 传感网的数据采集和传输，文章总结了相关故障诊断及处理方案，以实现对网络运行状态的实时评估。

关键词：ZigBee；工业传感网络；故障诊断；故障处理

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）31-0077-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

随着物联网技术的快速发展，ZigBee传感网凭借其低功耗、低成本等优势，广泛应用于物联网领域。然而，在实际应用中，ZigBee传感网的连接故障问题时有发生，这不仅会影响到整个系统的稳定性，还会对数据的可靠性、能源管理、智能化发展等方面产生不利影响。

因此，对 ZigBee 传感网连接故障进行诊断和处理，对于保障系统稳定性、数据可靠性和能源效率至关重要，同时也能推动相关技术创新。

1 基于ZigBee 技术的无线组网系统硬件设计

1.1 ZigBee 技术概括

ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的短距离、低速率的无线通信技术。广泛应用于物联网领域的无线传感器网络和工业生产等领域[1]。ZigBee 具有低功耗、低成本、短距离、自组织等优点，但也存在传输速率低、延迟较大等缺点，限制了其在部分需要高速传输场景下的应用。尽管如此，ZigBee 凭借其独特优势，在未来物联网发展中仍具有广阔应用前景。

ZigBee 网络 typically 由一个协调器、若干路由节点和终端设备节点组成，它们分别扮演着不同的角色，共同实现无线网络的搭建[2]。

1） 协调器（Coordinator） ：协调器在ZigBee网络中用于建立网络。协调器选择一个信道和一个网络ID，随后启动整个网络。当 ZigBee网络建立后，上位机按照《串口设备控制协议》发送查询、控制、协议报文透传数据到协调器的串口 UART0 或 UART1。

2） 路由节点（Router） ：路由节点又称为中继器，负责数据路由。所有的终端设备都需要通过协调器或者路由节点加入到网络中。

3） 终端设备（End-Device） ：又称为叶子节点，终端设备必须通过协调器或者路由节点才能加入ZigBee 网络中。通常，终端设备的存储空间比较小[3]。

1.2 ZigBee 传感网络系统设计

本文设计了一个基于ZigBee传感器的物联网数据采集与监测系统，专用于工业生产环境。系统明确了ZigBee传感器类型，构建了传感网络，并配置了协调器与传感节点。系统能采集温湿度及光照度数据，通过ZigBee网络传输至协调器，协调器再通过RS485 接口与物联网网关相连，实现数据上传与控制指令下达的双向通信[4]。同时，本文分析了ZigBee传感器常见故障，并设计了相应的检测方法。

2 传感网配置设计

2.1 ZigBee 设备

本项目中采用CC2530芯片并集成了I/O模块为ZigBee智能节点盒，ZigBee 智能节点盒具有 2 路串口通信接口：1路 RS485、1路串口转 USB，5路开关量输入，5路数字量输出，设备的 ZigBee 信道和 PAN ID 可配置。当 ZigBee网络建立后，上位机按照《串口设备控制协议》向协调器的 UART0或UART1发送设备控制指令，可以实现采集和控制ZigBee智能节点盒的输入和输出接口。

2.2 ZigBee 设备配置

配置ZigBee智能节点盒时，通过串口转USB数据线连接PC 和ZigBee 智能节点盒内部芯片的串口UART0，读取设备的设备类型、PAN ID、信道编号、设备ID及RS-485 串口配置。在配置时需保证协调器和路由节点的PAN ID、通道号保持一致。将ZigBee协调器和路由节点、温湿度传感器、光照度变送器、物联网网关及路由器进行安装连接。仿真接线图如图1所示。

接线完成后，使用仿真系统对设备的安装接线进行验证，确认验证无误后方可进行真实设备安装部署。在仿真系统中设备的外形、接线方式等与真实设备略有差异，但不影响仿真验证效果。配置完成后，可在物联网网关或上位机查询传感器数据。

3 故障的诊断及处理

3.1 ZigBee 无法运行

若ZigBee设备通电后，电源指示灯未亮起，在检查ZigBee电源开关已开启并电量充足后，一般可判断为ZigBee 的固件烧写不正确导致的设备无法正常运行[5]。

处理方案为将ZigBee芯片开发板通过仿真器连接到电脑上，对仿真器进行复位后，使用SmartRFFlash Programmer 软件对ZigBee固件进行重新烧录。待烧写完成后，重新配置及连接ZigBee设备，检查设备是否正常运行。故障恢复时建议备份固件文件，以便将来需要时能够快速恢复设备。

3.2 ZigBee 设备无法通信

当设备启动时，ZigBee协调器设备的连接指示灯应为常亮，表示协调器已经建立ZigBee网络；ZigBee 路由节点的连接的指示灯应为间断闪烁，表示路由节点已经加入网络。若指示灯不正确，可能原因及处理方法包括以下几个方面。

3.2.1 功能键开关未开启或已退出ZigBee 网络

每短按一下功能键时，设备可在允许入网和关闭允许入网间切换。允许入网时，通信指示灯常亮；关闭允许入网时，通信指示灯常灭。长按功能键3秒时，通信指示灯开始闪烁，此时释放功能键，对于路由设备，将退出ZigBee网络；对于协调器设备，将重新建立ZigBee网络。

处理方案为重新短按功能键，在通信指示灯闪烁后检查是否能够成功入网。如果问题持续存在，可以尝试将设备重置到出厂设置，然后重新进行配置和入网操作。但请注意，重置前务必备份重要数据。

3.2.2 ZigBee 协调器或路由节点配置不正确

配置协调器或路由节点时，需保证协调器和路由节点的PAN ID、通道号保持一致、设备ID不重复。当ZigBee路由节点配置的地址重复时，ZigBee协调器只能获取到其中一个ZigBee路由节点的传感器数据。一般这种情况的上位机数据表现为在同一个ZigBee 传感网络中，只能获取到某一部分的传感器数据，部分传感器数据无法获取。

处理方案为重新检查ZigBee路由节点的地址配置信息，保证不同ZigBee路由节点的地址不一样。在修改配置后，务必进行全面的测试验证，包括检查传感器数据的完整性和准确性，以确保网络运行正常。

3.2.3 传感器的设备地址未获取

此类问题并非是ZigBee设备的问题导致的，但问题表现也是无法获取到传感器数据，容易被误导为ZigBee设备的故障。

处理方案为通过串口调试助手查询和修改传感器地址，将传感器设备地址与上位机地址设置相匹配，避免上位机无法获取传感器设备地址。

3.2.4 电池电量低

使用电池供电的ZigBee设备可能因电池电量低而导致无法正常通信。

处理方案为检查设备的电池电量是否充足，如果电量过低，建议更换电池、充电或直接连接充电线使用。同时，需确保设备的电源管理设置正确，以延长电池寿命。

3.2.5 网络覆盖范围不足

ZigBee网络在室内的覆盖范围一般为10～30米，若设备间的距离过远，导致设备无法正常通信。

处理方案为检查网络的覆盖范围是否足够覆盖所有设备。如果覆盖范围不足，需要增加网络设备或调整设备的摆放位置以扩大覆盖范围。同时，确保设备的发射功率设置正确以增强信号强度。

3.2.6 信号干扰

ZigBee网络的信号可能受到干扰，导致设备无法正常通信。

处理方案为使用专业的测试工具或软件来评估ZigBee网络的当前覆盖范围，确定是否存在盲区或信号弱区。如果覆盖范围不足，考虑增加ZigBee路由器或中继设备来扩展网络。这些设备可以转发信号，从而增加网络的覆盖范围。同时检查并排除可能干扰ZigBee信号的无线设备或电子设备，如Wi-Fi路由器、微波炉等。这些设备可能会干扰ZigBee信号的传输。

3.2.7 信道干扰

ZigBee在2.4G的频段上具有11～26共计16个信道，当ZigBee组网时，要求ZigBee协调器与路由节点需保持为相同信道，以便进行数据传输。但在无线传输中，多种网络设备的信道可能重合产生信道干扰从而影响ZigBee通信效果，如在中国Wi-Fi常用的信道为1、6、11，其中11信道可能与ZigBee网络产生信道干扰从而影响数据传输[6]。

处理方案为重新配置ZigBee协调器和路由节点的信道，建议选择15、20、25、26号信道，或使用无线信道分析仪设备分析信道占用情况后选择空闲信道，以减少干扰。

4 结束语

本文构建了ZigBee传感网络用于无线数据采集与状态监控，归纳了常见故障及处理方法，并提出新策略解决运行与通信难题。实验揭示了组网中设备故障的共性，为同类传感设备提供了有效解决方案，加速故障排查，提升数据准确性。此故障诊断与处理方案为物联网设备的广泛故障诊断奠定了坚实基础。

参考文献：

[1] 石瑛.基于ZigBee与WiFi深度结合的智能家居系统的研究与设计[D].南京：南京邮电大学，2019.

[2] 刘涛涛.基于ZigBee技术的设备状态监测与故障诊断系统设计[D].太原：中北大学，2014.

[3] 王彤.基于Z-Stack协议栈的ZigBee网络组网研究与实现[D].保定：河北大学，2012.

[4] 唐燕.基于ZigBee的空巢老人智能家居系统设计[D].淮南：安徽理工大学，2018.

[5] 李盨，顾永刚，翟超.ZigBee 的无线烧写系统设计[J].机械与电子，2015，33（9）：57-59，60.

[6] 邹彬.基于物联网的温室大棚监控系统研究与设计[D].延安：延安大学，2022.

【通联编辑：李雅琪】

基金项目：2023 年度广东省普通高校重点科研平台项目“具身智能物联网机器人研究应用创新团队”（2023KCXTD066）