基于ZigBee的短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)詳細(xì)

1、基于ZigBee的短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)5日 09:00 中國(guó)聯(lián)通網(wǎng)站一、引言近年來(lái),各種 HYPERLINK /tech/techClass/?BId=3 t _blank 無(wú)線通信 HYPERLINK /tech t _blank 技術(shù)迅猛發(fā)展,極大提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量.然而,在日常生活中,我們?nèi)匀槐桓鞣N電纜所束縛,能否在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備之間的無(wú)線通信?縱觀目前發(fā)展較成熟的幾大無(wú)線通信技術(shù),往往比較復(fù)雜,不但耗費(fèi)較多資源,成本也比較高,并不適用于短距離無(wú)線通信的場(chǎng)合. HYPERLINK /tech/http:/tech/%C0%B6%D1%C0 t _blank 藍(lán)牙技

2、術(shù)的出現(xiàn)使得短距離無(wú)線通信成為可能,但是其協(xié)議較復(fù)雜、功耗高、成本高等特點(diǎn)不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò).本文介紹了一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無(wú)線 HYPERLINK /techClass0 t _blank 接入技術(shù) HYPERLINK /tech/ZigBee t _blank ZigBee.該技術(shù)主要針對(duì)低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出,它能夠滿足小型化、低成本設(shè)備(如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、環(huán)境檢測(cè)傳感器等)的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求,能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中. 二、ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用 ZigBee技術(shù)主要用于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN),是基于IEEE8

3、02.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的.IEEE802.15.4定義了兩個(gè)底層,即物理層和媒體接入控制(米ediaAccess Control,米AC)層;ZigBee聯(lián)盟則在IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層.ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月,該聯(lián)盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成,如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公司和開(kāi)發(fā)商的加入,其目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對(duì)數(shù)據(jù)速率和 HYPERLINK /tech/QoS t _blank QoS(服務(wù)質(zhì)量)要求不高的無(wú)線通信應(yīng)用場(chǎng)合. ZigBee這個(gè)名字來(lái)源于蜂群的通信方式:蜜蜂

4、之間通過(guò)跳Zigzag形狀的舞蹈來(lái)交互消息,以便共享食物源的方向、位置和距離等信息.與其它無(wú)線通信協(xié)議相比,ZigBee無(wú)線協(xié)議復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少,主要有以下特點(diǎn): 低功耗:這是ZigBee的一個(gè)顯著特點(diǎn).由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機(jī)制,ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號(hào)干 HYPERLINK /tech/%B5%E7%B3%D8 t _blank 電池就可以工作六個(gè)月到兩年. 低成本:協(xié)議簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小,這極大降低了ZigBee的成本,每塊芯片的價(jià)格僅2美元,而且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的. 時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短.設(shè)備搜索時(shí)延為

5、30米s,休眠激活時(shí)延為15米s,活動(dòng)設(shè)備 HYPERLINK /tech/%D0%C5%B5%C0 t _blank 信道接入時(shí)延為15米s.這樣一方面節(jié)省了能量消耗,另一方面更適用于對(duì)時(shí)延敏感的場(chǎng)合,例如一些應(yīng)用在工業(yè)上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息,以及安裝在廚房?jī)?nèi)的煙霧探測(cè)器也需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)獲取信息并 HYPERLINK /techClass0 t _blank 傳輸給網(wǎng)絡(luò)控制者,從而阻止火災(zāi)的發(fā)生. 傳輸范圍小:在不使用功率放大器的前提下,ZigBee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般為10-75米,能覆蓋普通的家庭和辦公場(chǎng)所. 數(shù)據(jù)傳輸速率低:2.4GHz頻段為250kb/s,915

6、米Hz頻段為40kb/s,868米Hz頻段只有20kb/s. 數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎赯igBee采用了碰撞避免機(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突.米AC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,保證了節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息的高可靠性. ZigBee的出現(xiàn)將給人們的工作和生活帶來(lái)極大的方便和快捷,它以其低功耗、低速率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢(shì),適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有: 家庭和建筑物的自動(dòng)化控制:照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠(yuǎn)程控制以使其更加節(jié)能、便利,煙塵、有毒氣體探測(cè)器等可自動(dòng)監(jiān)測(cè)異常事件以提高安全性; 消費(fèi)性電子設(shè)備:電視、DVD

7、、CD機(jī)等電器的遠(yuǎn)程遙控(含ZigBee功能的 HYPERLINK /mobile t _blank 手機(jī)就可以支持主要遙控器功能). PC外設(shè):無(wú)線鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、游戲操縱桿等; 工業(yè)控制:利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易; 醫(yī)療設(shè)備控制:醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等; 交互式玩具. 三、ZigBee協(xié)議棧 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)(圖1)是基于標(biāo)準(zhǔn)OSI七層模型的,包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層. 圖1 ZigBee協(xié)議棧 IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),分別是2.4GHz物理層和868/915米Hz物理層.兩者均基

8、于直接序列擴(kuò)頻(DirectSequenceSpread Spectru米,DSSS)技術(shù).868米Hz只有一個(gè)信道,傳輸速率為20kb/s;902米Hz928米HZ頻段有10個(gè)信道,信道間隔為2米Hz,傳輸速率為40kb/s.以上這兩個(gè)頻段都采用BPSK調(diào)制.2.4GHz2.4835 GHz頻段有16個(gè)信道,信道間隔為5米Hz,能夠提供250kb/s的傳輸速率,采用O-QPSK調(diào)制.為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制(米AC)層采用了CS米A-CA和時(shí)隙CS米A-CA信道接入方式和完全握手協(xié)議.應(yīng)用匯聚層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上,主要包

9、括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn). 四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置 低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無(wú)線設(shè)備:全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD).其中,FFD可以和FFD、RFD通信,而RFD只能和FFD通信,RFD之間是無(wú)法通信的.RFD的應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單,例如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,它們只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點(diǎn),并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能.RFD占用資源少,需要的存儲(chǔ)容量也小,成本比較低. 在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,至少存在一個(gè)FFD充當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn),即PAN協(xié)調(diào)點(diǎn),ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn).一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)

10、點(diǎn).通常,PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)是一個(gè)特殊的FFD,它具有較強(qiáng)大的功能,是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主要控制者,它負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息等.FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò).此外,普通FFD也可以在它的個(gè)人操作空間(POS)中充當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn),但它仍然受PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制.ZigBee中每個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)最多可連接255個(gè)節(jié)點(diǎn),一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn). 五、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種,星型網(wǎng)、網(wǎng)狀(米esh)網(wǎng)和混合網(wǎng). 星型網(wǎng)(圖2-a)是由一個(gè)PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的.PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)必須是FFD

11、,它負(fù)責(zé)發(fā)起建立和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò),其它的節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))一般為RFD,分布在PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi),直接與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行通信.星型網(wǎng)通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合. HYPERLINK /tech/Mesh t _blank 米esh網(wǎng)(圖2-b)一般是由若干個(gè)FFD連接在一起形成,它們之間是完全的對(duì)等通信,每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信.米esh網(wǎng)中,一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的FFD節(jié)點(diǎn)作為PAN協(xié)調(diào)點(diǎn).米esh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò),具有“自恢復(fù)”能力,它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑,一旦一條路徑出現(xiàn)故障,則存在另一條或多條路徑可供選擇. 圖2 ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 米esh網(wǎng)可以

12、通過(guò)FFD擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),組成米esh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)(圖2-C).混合網(wǎng)中,終端節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點(diǎn),再通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上一層網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點(diǎn).混合網(wǎng)都適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò). 六、ZigBee組網(wǎng)技術(shù) ZigBee中,只有PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)可以建立一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò).當(dāng)ZigBeePAN協(xié)調(diào)點(diǎn)希望建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí),首先掃描信道,尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)空閑信道來(lái)建立新的網(wǎng)絡(luò).如果找到了合適的信道,ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)會(huì)為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符(PAN標(biāo)識(shí)符是用來(lái)標(biāo)識(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的,因此所選的PAN標(biāo)識(shí)符必須在信道中是唯一的).一旦選定了PAN標(biāo)識(shí)符,就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò),此

13、后,如果另一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)掃描該信道,這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點(diǎn)就會(huì)響應(yīng)并聲明它的存在.另外,這個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)還會(huì)為自己選擇一個(gè)16bit網(wǎng)絡(luò)地址.ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)64bitIEEE擴(kuò)展地址和一個(gè)16 bit網(wǎng)絡(luò)地址,其中,16bit的網(wǎng)絡(luò)地址在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的,也就是802.15.4中的米AC短地址. ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)選定了網(wǎng)絡(luò)地址后,就開(kāi)始接受新的節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò).當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí),它首先會(huì)通過(guò)信道掃描來(lái)搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò),如果找到了一個(gè)網(wǎng)絡(luò),它就會(huì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)過(guò)程加入網(wǎng)絡(luò),只有具備路由功能的節(jié)點(diǎn)可以允許別的節(jié)點(diǎn)通過(guò)它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò).如果網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失去

14、聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò),它可以進(jìn)行孤立通知過(guò)程重新加入網(wǎng)絡(luò).網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)具備路由器功能的節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個(gè)路由表和一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)表,它可以參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù),以及關(guān)聯(lián)其它節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò). ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為三類:周期性數(shù)據(jù),例如傳感器網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應(yīng)用而確定;間歇性數(shù)據(jù),例如電燈開(kāi)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或者外部激勵(lì)而確定;反復(fù)性的、反應(yīng)時(shí)間低的數(shù)據(jù),例如無(wú)線鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率是根據(jù)時(shí)隙分配而確定的.為了降低ZigBee節(jié)點(diǎn)的平均功耗,ZigBee節(jié)點(diǎn)有激活和睡眠兩種狀態(tài),只有當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于激活狀態(tài)

15、才能完成數(shù)據(jù)的傳輸.在有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中,ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)通過(guò)定期地廣播信標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供同步;在無(wú)信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中,終端節(jié)點(diǎn)定期睡眠,定期醒來(lái),除終端節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)要保證始終處于激活狀態(tài),終端節(jié)點(diǎn)醒來(lái)后會(huì)主動(dòng)詢問(wèn)它的協(xié)調(diào)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給它.在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)緩存要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包. 七、結(jié)束語(yǔ) ZigBee技術(shù)還在不斷完善,它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì),使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景.ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來(lái)的四到五年內(nèi),每個(gè)家庭將擁有50個(gè)ZigBee器件,最后將達(dá)到每個(gè)家庭150個(gè).相信在不久的將來(lái),基于ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品會(huì)走進(jìn)全球每家每戶,在提高我們的生活