zigbee专业认识实习调研报告

专业认识实习调研报告1 ZigBee的含义ZigBee技术是一种新兴的介于无线标记技术与蓝牙技术间的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，通过无线电波以接力方式将数据从一个传感器传送到另一个传感器，使数千个微小传感器之间实现相互协调的通信。ZigBee协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和链路层，并在其上增加了网络层，安全模块和应用支持子层模块，从而实现了大区域网络覆盖ZigBee由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势，逐渐成为无线传感器网络的首选通信协议。工作于无须注册的2.4 GHz ISM频段,传输速率为10250 Kb/s,传输距离为1075 m。该项技术自2002年起由ZigBee技术联盟研究开发,采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和媒体接入子层标准、网络层及上层标准,即ZigBee技术标准。以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要较高的传输带宽,但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗。因此,迫切需要一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准,ZigBee技术的特点使它与无线传感器网络完美地结合在一起。本文以ZigBee技术为背景,研究基于ZigBee的无线传感器网络。蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。根据ZigBee联盟公布的ZigBee技术标准,各个芯片生产厂家都公布了基于自己产品的ZigBee协议栈。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等,其中TI公司及Microchip公司开发了源代码开放的ZigBee协议栈。ZigBee标准采用分层结构，根据开放式通信系统互联模型，从上往下具有物理层、数据链路层、网络层、应用支持子层和应用层。从网络层以上的协议有ZigBee联盟制定，IEEE 802.15.4标准定义物理层和数据链路层。这里介绍的是Microchip公司基于ZigBee 2006标准的ZigBee协议栈。ZigBee协议栈采用分层结构,每一层都为其上一层提供一套明确的服务:数据实体提供数据传输服务,管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点为上层提供一个接口,每个服务接入点都支持一定数量的服务原语来实现所需功能。APSDE-SAP为数据实体接口,MLME-SAP为管理实体接口。ZigBee协议栈中,各层间数据的传输通过帧来实现,在PAN网络结构中定义了4种帧结构:信标帧、数据帧、确认帧及命令帧。不管是那种传输帧,发送时都是自协议栈高层向底层传输,从产生层向下每个协议层都为其增加自己的帧头和帧尾。接收时都是自底层向高层传输,从物理层向上依次去掉每个协议层的帧头和帧尾。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案,相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee将是最低功耗和成本的技术之一。ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小和QoS的要求不高的业务。ZigBee在网络层和媒体接入控制层都加入了安全保密机制,采用了四种IEEE 802.15.4媒体接入控制底层的安全保障策略。第一：访问控制,设备保存那些网络中被信任的设备名单。第二：资料加密,使用高级128位对称加密(AES-128)算法。第三：帧完整地保护数据,保护数据免受因没有密钥而被修改。第四：拒绝连续刷新的数据帧,网络控制器将对刷新值与最后已知值比较从而决定是否对该数据帧进行丢弃。不仅如此,ZigBee的上层应用还可以灵活地定制不同的安全属性。ZigBee主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。ZigBee网络支持两种类型的物理设备:全功能设备(Full Function Device,FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device,RFD)。ZigBee网络支持两种类型的物理设备:全功能设备(Full Function Device,FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device,RFD)。一般来说,全功能设备(FFD)支持任何拓扑结构,可以充当网络协调器能和任何设备通信;精简功能设备(RFD)只适用于星型网络拓扑结构中,不可以充当网络协调器,且只能与FFD通信,不能与其他RFD通信,但它们内部的电路比FFD少,只有很少或没有消耗能量的内存,因此实现相对简单,也更利于节能。于是,在任一个ZigBee网络中必然存在三种功能设备:网络协调功能设备;可以与任何物理设备通信的全功能设备,也叫网络节点;精简功能设备,因其内部功能结构简单、上层应用少,且某些仅仅包含IEEE标准协议栈,所有又被称为IEEE节点(IEEENode)。网络协调器的主要功能是协调建立网络,其他功能还包括:传输网络信标,管理网络节点,存储网络节点信息并且提供关联节点之间的路由信息。此外,网络协调器要存储一些基本信息,如节点数据设备、数据转发表、设备关联表等。在能量管理方面,网络协调器因为要处理控制问题,例如控制系统的同步问题(如发信标)、要转换长短位址的对应或处理装置彼此间的沟通等,需要较多的能量,因此一般使用连接式电源;而其余设备基本上都是使用电池。ZigBee网络中可同时存在两种不同类型的设备,一种是具有完整功能的设备(FFD),一种是简化功能的设备(RFD)。在网络中,FFD通常有3种工作状态:作为个人区域网络的协调器(PAN);作为路由器;作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信,而对于RFD,它只能和一个FFD进行通信,故只能作为终端设备。ZigBee协调器,即ZigBee的个域网协调器,是网络建立的起点,负责网络的初始化,确定个域网标识符和网络工作的物理信道,并统筹短地址的分配。ZigBee协调器必须是全功能设备,并且一个网络只有一个协调器。ZigBee路由器是一个全功能设备,类似于定义的协调器,在接入网路后,它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内,它能允许其他节点加入或者离开网络,分配及收回短地址,路由和转发数据。ZigBee终端设备,既可以是全功能设备,也可以是简化功能设备,它只能与其父节点通信,从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。ZigBee网络由FFD和RFD组成,网络有两种拓扑结构:星型拓扑结构和对等拓扑结构。星型拓扑网络是由一个PAN协调器的中央控制器和多个从设备组成,主协调器必须是一个FFD设备,从设备既可以是FFD也可以RFD;对等网络拓扑结构也存在协调器,该网络不同于星型拓扑结构,在该拓扑结构中任何设备只要在其通信范围之内就可以和其他设备进行通信。2 ZigBee发展现状与前景随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下，基于ZigBee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好了。ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国NURI Telecom等纷纷开始引进ZigBee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少，缺乏体现ZigBee大型组网应用。虽然ZigBee在艰难中前进，但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在ZigBee联盟的推动下，ZigBee技术将朝着开发SoC(片上系统)，更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，ZigBee完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，ZigBee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未