ZigBee短距离无线通信网络组网技术研究

1、-范文最新推荐- ZigBee短距离无线通信网络组网技术研究 摘要在通信领域，短距离的无线通信技术因其在工控场合和个人通信方面的多功能运用而备受瞩目。Zigbee技术就是一种新兴的低速率短距离无线接入技术，中文译名为”紫蜂”。 该技术由IEEE 802.15工作组提出，并由他们规范了IEEE 802.15.4无线标准。Zigbee具有便宜、消耗低、安全性高、传输可靠等特点，可用于家庭自动化、医疗、现代农业、工业自动化等方面。本论文概括介绍了zigbee技术的起源和特点，将zigbee技术与其它短距离无线通信网络相比较，并加以分析。本论文更为深入的介绍了ZigBee网络的

2、网络体系结构、网络拓扑结构及其协议标准，对ZigBee网络的物理层、数据链路层和网络层的结构和关键技术等方面进行了探讨，并且在最后对ZigBee的应用提出了设想，提供了一套基于zigbee无线网络的节能灌溉控制系统模型。5658关键词无线通信技术zigbee技术网络结构节能灌溉控制系统毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleZigBee-based Short Range Wireless Communication Network Networking ResearchAbstractIn the field of communication, the short-range wireles

3、s communications technology gets much attention because of its multi-purpose use in industrial places and personal communications. Zigbee technology is an emerging low-rate short-range wireless access technology, which the Chinese translation is ‘zifeng’. The technology is proposed by th

4、e IEEE 802.15 Working Group. They also established IEEE 802.15.4 wireless standard. Zigbee have characteristics such as cheap, low energy consumption, safe, reliable transmission and so on. It can be used for home automation, medical, agricultural, industrial automation etc. 1.1无线网络与ZigBee网络概述所谓无线网络

5、3，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术。一个无线网络的构成节点之间并不是通过电缆相连的，而是通过无线电、红外线或者其他电磁辐射以达到节点之间彼此相连的目的。因此，每个节点能够发送和接收通过有关媒体的消息。此外，大多数节点运行一个或多个应用程序来执行其在网络中的功能——例如温度和湿度的测量等。随着技术的发展和人们的需求，许多短距离无线通信的要求被提出。短距离无线通信和长距离无线通信有很多区别，主要如下：l无线发射功率在几微瓦到小于100μW。l通信距离在几厘米到几百米。l主要在房间内使用。l使用

6、全向天线和线路板天线。l不需要申请无线频道。l高频操作。l由电池供电的无线发射器和无线接收器。典型的短距离无线系统由一个无线发射器和一个无线接收器组成。随着无线的发展，网络化、标准化要求逐渐出现在人们的面前。因此这种无线网络技术标准纷纷被指定出来。比较热门5种短程无线连接技术正在成为业界谈论的焦点,包括ZigBee、无线局域网（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）、超宽频（Ultra Wide Band）和近距离无线传输（NFC）。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其中文译名为“紫蜂”。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee主要用

7、于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 另外，ZigBee联盟的Bob•Heile主席则采用了拟人化的神话故事来形容ZigBee的起源6：ZigBee是一位居住在村里的慈祥，安静的小巨魔，话不多，但是很可靠——在村里的干草被太阳烘烤得温度过高，以至于快要烧起来时，ZigBee会及时通知村民；当村里的小朋友从船上落水时，ZigBee也会通知他们的家长。比起另一位名叫Bluetooth的信使来说，ZigBee能够将消息带到更遥远的地方，因为它会多级跳。这些关于ZigBee起源的说法简略的突出了ZigBee技术的特点。2.

8、2Zigbee技术的特点ZigBee技术专注于低成本，低功耗和低速率的无线通信市场，该协议标准与其他几种无线通讯标准相比，具有如下特点7：(1)成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到15到25美元，并且ZigBee协议是免专利费的，采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868Mttz(欧洲)，免执照频段。(2)低功耗：由于ZigBee的传输速率较低，传输数据量较小，并且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。(3)时延短：ZigB

9、ee的响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，典型的搜索设备时延为30ms，活动设备信道接入的时延为15ms，相比较而言，蓝牙需要3-lOs、Wi-Fi则需要3s。(4)网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，网络构成灵活，ZigBee网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点。(5)可靠度高：为了避免发送数据的竞争和冲突，采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以

10、进行重发。 2.3.1蓝牙技术 蓝牙技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。能在近距离范围内实现相互通信或操作。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段，提供1Mbps的传输速率和10m的传输距离。该技术还陆续获得PC行业业界巨头的支持。1998年，蓝牙技术协议由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA、Toshiba等五家公司达成一致。蓝牙协议的标准版本为802.15.1,由蓝牙小组（SIG）负责开发。802.15.1的最初标准基于1.1实现，后者以构建到现行很多蓝牙设备中。新版802.15.1a基于等同于

11、蓝牙1.2标准，具备一定的Qos特性，并完整保持后项兼容性。但蓝牙技术遭遇最大的障碍在于传输范围受限，一般有效的范围在10米左右，抗干扰能力不强、信息安全问题等问题也是制约其进一步发展和大规模应用的主要因素。因此业内专家认为蓝牙的市场前景取决于蓝牙能否有效地解决上述制约难题。2.3.2IrDA技术 IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如：PDA、手机上广泛使用。起初，采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2kb/s速率传输数据，很快发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。IrDA的主

12、要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功能低、连接方便、简单易用的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输，两个相互通信的设备之间必须对准，中间不能被其它物体阻隔，因而该技术只能用于2台设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距问题及提高数据传输率。 与蓝牙相比，ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的基本速率是250kb/s,当降低到28kb/s时，传输范围可扩大到134m,并获得更高的可靠性。另外，它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游

13、戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展ZigBee的应用。与IrDA相比，ZigBee有大的网络容量，每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。有效范围小。有效覆盖范围1075m之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。原文位置 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。根据ZigBee联盟目前的设想，ZigBee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏

14、操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、 VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。与Wi-Fi相比，ZigBee低功耗和低成本有非常大的优势，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。3Zigbee网络结构简介利用ZigBee技术组建的是一种低数据传输速率的无线个域网（LR-WPAN）。网络的基本成员称为“设备（D

15、evice）”。网络中的设备按照功能的不同分为两类：具有完整功能的全功能设备FFD和只具有部分功能的精简功能设备RFD。其中RFD功能非常简单，可以用最低端的MCU实现，在网络里只能作为不需要发送大量数据的终端设备，只能和某一个特定FFD进行通信。比如它可以使家庭里的一直红外传感器或照明开关，也可以使生产车间里的一只压力传感器。而FFD可以作为个域网的主协调器、协调器，也可以作为终端设备使用。在一个网络里至少需要一个主协调器11。 网络层（NWK层）提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能13。NWK层主要是为了确保正确地操作IEEE8021542003MAC

16、子层和为应用层提供服务接口。NWK层从概念上包括两个服务实体：数据服务实体和管理服务实体。NWK层的责任主要包括加入和离开一个网络用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。zigBee应用层包括应用支持子层(APS子层)、应用框架(AF)和ZigBee设备对象(ZDO)。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架(AF)为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对(KVP)服务和报文(MSG)服务供应用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用

17、户自定义应用对象，分别指定在端点l至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点O上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，安全管理等。ZDO负责定义设备在网络中的角色、发现设备和决定他们提供哪种应用服务，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。安全服务提供者SSP(Security Service Provider) 12向NWK层和APS层提供安全服务。ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种服务接口，数据SAP(ServiceAccess Poin

18、t)和管理SAP(Service Access Point)。数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务，管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。3.2Zigbee网络拓扑结构ZigBee支持包含有主从设备的星形、树簇形和对等拓扑结构13。虽然每一个ZigBee设备都有一个唯一的64位IEEE地址，并且可以用这个地址再PAN中进行通信，但在从设备和网络协调器建立连接之后会为它分配一个16位的短地址，此后可以用这个短地址在PAN内进行通信。64位的IEEE地址是唯一的绝对地址，而16位的短地址是相对地址。从设备在网络中的地位来看。ZigBee网络中的设备分位3种

19、：第一种结构和功能最简单，用电池供电，大部分时间处于睡眠之中，以最大程度地节约电能，延长电池寿命，它们被称为终端设备（End Device）。每一个终端设备中最多可以有240个端点，这些端点共享同一个无线收发器，但执行不同的应用服务。ZigBee网络中这种设备的数量最多。处于中间层次的是路由器，它们必须具备数据的存储和转发能力、路由发现能力。除了完成应用任务外，路由器还必须支持其子设备的连接、路由表的维护、数据的转发等。路由器必须是FFD。在网络结构中最顶层的是ZigBee协调器、协调器总是处在工作状态，因此它必须具有稳定、可靠的电源供给。它除了可以完成路由器的一些功能外，还制定网络规则，选择

20、合适的信道，启动PAN等，协调器也必须是FFD。一般说来，路由器和协调器在结构上比较相似。 图3.2 星形拓扑网络结构3.2.2树簇形拓扑结构在分布范围相对较大的应用场合，树簇形拓扑结构是一种合适的结构形式，如图3.3所示。图中，处于网络最末端的成为“叶”节点，它们使网络中的终端设备。若干个叶节点设备连接在一个全功能设备FFD上形成一个“簇”，若干个“簇”再连接形成“网”，故称为树簇形拓扑网络。树簇形拓扑网络结构中的大部分设备是FFD，经典功能设备RFD只能作为叶节点处于树枝的末端。在这种网络中有一

21、个主协调器，作为主协调器的设备应该具有更多的资源、稳定可靠的供电等。在建立这样一个PAN时，主协调器启动建立PAN后，首先选择PAN标识符，将自身短地址设置为0，然后开始向它与邻近的设备发送信标，接受其他设备的连接，形成树的第一级。协调器与这些设备之间形成父子关系。与主协调器建立了连接的设备都分配了一个16位的网络地址——成为短地址。如果设备以终端设备的身份介入网络，则协调器会为它分配一个唯一的16位网络地址；如果设备以路由器的身份与网络建立连接，则协调器会为它分配一个地址块——包含有若干个16位短地址。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置

22、并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为其子设备。这些子设备中又可以有路由器，它们也可以有自己的子设备，如此下去形成多级树簇形结构的网络。显然，树簇形网络是利用路由器对星形网络的扩充。在树簇形网络中所有的信息沿父子层次关系“向上”或“向下”传输，从一个节点向其相邻的另一个节点的传输成为“一跳”，树簇形网络的深度是信息从最末端的叶节点传输到协调器的最大跳数。 ZigBee采用CSMA-CA机制解决共享信道时的冲突，CSMA-CA即“载波检测多路访问冲突避免”。其主要思想是当设备需要发送数

23、据之前，首先检测是否有其他设备正在使用信道发送数据，如果有，则等待一段随机长度的时间，然后再次检测；如果没有，则等待一段随机长度的时间后开始发送数据。用这样的方法避免或降低了冲突的发生。对于无线通信本身的误码问题，ZigBee采用了两条措施：一是用较短的帧格式(小于128字节)，以减小单个帧出错的概率；二是在MAC层里采用CRC校验机制，以验收接收的数据是否出错。CRC校验码长16位，使用ITU标准的16位CRC校验生成算法产生CRC码。3.4.2功耗极低的功耗是ZigBee的一大特色。ZigBee网络中电池供电的设备可以大部分时间进入睡眠状态，并周期性地醒来。进入睡眠状态时，关闭收发电路，以

24、最大限度地减低功耗；醒来时，通过检查信道，与协调器同步，发送或接收数据。睡眠与醒来的时间之比可以控制。显然，睡眠的时间越长，功耗越低，但传输数据的时延也越长。3.4.3绑定、键值和一般信息服务ZigBee的应用层有“簇”的概念，相当于一个容器，包含有特定的属性。每个簇有它的标识符。所谓绑定是将功能互补的设备建立逻辑关系，ZigBee网络协调器中的绑定表记录了这些逻辑联系。绑定通常在服务的提供者和服务的请求者之间进行，一个ZigBee设备的应用程序可以和几个不同设备的应用程序实现绑定。在ZigBee网络中，数据抽象为键值对，这不仅使数据的传输变得很简单，而且设备不需要知道

25、它应该向谁发送信息。一旦实现了绑定，协调器可以保证一个设备产生的KVP信息传输到正确的地方。键值（KVP）是ZigBee里数据的一种抽象。在有些不适于应用绑定方式的场合，ZigBee提供自由信息格式的一般信息服务（MSG）。 服务原语是个抽象的概念，我们可以通过描述服务原语和其特征参数来制定某个服务。一个服务可能包含一个或者多个相关的原语，这些原语组成了与特定服务相关的行为，每个服务原语可能包含零个或者多个参数，这些参数带有要求提供服务的信息。ZigBee规范的各种不同的任务在不同的层次上执行，上层通过下层提供的功能完成所要执行的任务。因此对于一个特定的层来说要完成两方面的功能，向上层提供服务

26、以及从下层调用服务。ZigBee上下层间的交互就是通过服务原语来实现的。ZigBee规范使用了四种类型的原语，它们是请求原语(Request)，指示原语(Indication)，响应原语(Response)以及确认原语(Confirm)：(1)Request：请求原语是从N+I层传递到N层，用以请求发起服务；(2)Indication：指示原语是从N层传递到N+I层，用以指示一个内部N层事件对于N+I层有重要意义。该事件可能与远端服务请求逻辑相关，或者它是由N层内部时间引起的；(3)Response：响应原语是从N+I层传递到N层，用以完成指示原语先前调用的程序；(4)Confirm：确认原语

27、是从N层传递到N+I层，用以传递一个或多个先前相关的服务请求的结果。原语之间的之间的关系如图3.5示。图3.5说明了原语的概念，描述了服务的层次关系，以及服务提供者和服务用户之间的关系。图3.5服务原语3.6ZigBee网络帧结构与服务及服务原语不同，协议定义了网络对等层之间帧的格式、意义和交换的方式，各层实体利用协议来实现服务。对于帧在网络中各层之间的传输，当从上层传送到下层时，每层都会在传输的帧中附加上反映本层相关信息的数据，分别称为帧的首部或帧尾部。而从下层向上层传输时，各层将附加的信息去掉。ZigBee网络帧结构示意图17如图3.6所示 b.信道能量检测；c.接收分组的链路质量指示(L

28、QI)；d.基于CSMA—CA的空闲信道评估(CCA)；e.信道频率选择 ；f.数据传输和接收。4.1物理层要求和定义ZigBee设备在不同频段的比特率、码片率以及调制方式如表4.1所示11：表4.1频段和数据率物理层/MHz频段/MHz扩频参数数据参数码片率(kchipss)调制比特率/（kb/s）符号率/(ksymbolss)符号868/9158688686300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制245024002483.520000-QPSK25062.516位正交ZigBee三个频段共有27个信道，编号从0—26。其中24GHz频段有

29、16个信道，915Etz频段有10个信道，868MHz频段有1个信道。这些信道的中心频率定义如下：Fc=868.3MHz，k=0Fc=906+2(k一1)MHz，k=1，2，10Fc=2405+5(k一11)MHz，k=1l，12，26其中k表示信道号码。4.2物理层服务规范和分组格式物理层包括一个管理实体(物理层管理实体，PLME)，这个实体通过调用层管理功能为层管理服务提供接口，同时，PLME负责维护物理层个人区域网信息数据库(PIB)。物理层提供两种服务，通过两个服务接入点(SAP)接入：物理层数据服务(其接入通过物理层数据服务接入点(PD-SAP)和物理层管理服务(其接入通过PLME服

30、务接入点(PLME—SAP)，如图4.1所示11： 图4.3 调制、扩频所有PPDU中的二进制数据都要进行编码，每个字节的低四位(b。，b。，b：，b3)映射为一个数据符号，高四位(b。，b。，b。，b7)映射为下一个数据符号。PPDU的每个每个字节通过调制和扩频处理后进行传输，从前导码域开始到PSDU的最后一个字节结束。每个符号都被映射为32位码片的伪随机噪声序列(PN序列)，所以码片序列代表了数据符号，它使用半正弦脉冲波形的O-QPSK调制到载波上，偶数字码片被调制到I相位载波上，奇数字码片被调制到Q相位载波上。码片速率(名义上是2OMchips)是符号速率的32倍(因为32位

31、码片序列代表一个数据符号)。在每个符号周期中，最低位码片首先被传输，最高位码片最后被传输。其中，信道能量检测(ED)是在IEEE802154信道带宽内接收信号能量的一种估计，主要测量目标信道中接收信号的功率强度，实际上所测得的是有效信号功率和噪声信号功率之和。链路质量指示(LQI)用于描述接收到的数据分组的强度或质量，链路质量要对信号进行解码，生成的是信噪比指示，提供接收数据帧时的无线信号强度和质量信息，测量通过接收机ED、信噪比估计或者混合使用这两种方法来进行。空闲信道评估判断的是当前信道是否处于空闲状态，从而决定是否发送当前数据帧。在IEEE802154中有以下三种模式来进行空闲信道的评估

32、19：(1)CCA模式1：能量高于门限值。在检测到能量高于ED门限值时，CCA就报告媒介忙；(2)CCA模式2：仅仅载波侦听，在检测到一个已调制或扩频的信号时，CCA就报告媒体忙，这个信号的能量可能高于或低于ED门限值；(3)CCA模式3：能量高于门限值的载波侦听，当检测一个能量高于ED门限值的调制和扩频信号时，CCA就报告媒介忙。5ZigBee MAC层关键技术研究 帧类型子域共3bit长度，定义了MAC帧的类型，见表5.2：表5.2 帧类型子域值帧类型值说明000信标001数据010应答011MAC命令100-111保留安全使能子域长度为lbit，该子域若为0，表示该帧不需要加密设置，若为

33、l，则表示该帧会收到MAC PIB中的密钥保护。帧待发送子域的长度为lbit，如果设备在发送该帧时，还有另外的数据要发送到接收方，则该子域设置为1，否则为0。应答请求子域的长度为lbit，如果该子域设置为1，则接收方在接收到数据帧或者MAC命令帧后，要发送应答帧，否则不要发送。内部PAN子域的长度为lbit，如果该子域设置为1，则表示发送MAC帧到同一PAN网络，如果设置为0，则表示发送MAC帧到不同的PAN网络。目的地址模式子域和源地址模式子域的长度均为2bit，其值如表5.3所列11：表5.3目的和源地址模式子域的值地址模式值说明00不存在PAN标识符子域和地址子域01保留10包含16bi

34、t短地址的地址域11包含64bit扩展地址的地址域序列号域的长度为8bit，他指定了帧所具有的独一无二的标识符。对于信标帧，序列号域指定了信标序列号(BSN)，每产生一个信标BSN的值就加1：对于数据帧，应答帧或MAC命令帧，序列号域指定了数据序列号(DSN)，每产生一个数据帧或MAC命令帧，DSN的数值就加1。目的PAN标识符域和源PAN标识符域的长度均为16bit，分别指定了帧接收方和帧发送方的唯一的PAN标识符，如果目的PAN标识符域的值为OxFFFF，则代表广播PAN标识符，是所有当前侦听信道的设备的有效标识符。目的地址域和源地址域的长度为16bit或者64bit，具体值由帧控制域中的

35、目的地址模式子域和源地址模式子域的值所决定。目的地址和源地址分别指定了帧接收方和发送方的地址，如果目的地址的值为OxFFFF，表示广播短地址，它是所有当前侦听信道的设备的有效短地址。帧净载荷域的长度可变，它根据帧类型包含不同的信息。FCS域的长度为16bit，它包含一个16bit的ITU-T CRC校验，FCS是通过对NtR和MAC净载荷部分进行运算得到的。MAC帧有四种类型，分别是信标帧、数据帧、应答帧和MAC命令帧。 帧控制域序列号FCSMHRMFRMAC命令帧净载荷域由命令标识符和具体的命令参数组成，在ZigBee网络中对设备的工作状态进行控制。MAC命令帧的格式表5.7所示：表5.7 MAC 命令帧格式字节：214/101可变2帧控制域序列号地址域命令帧标识符命令净载荷FCSMHRMAC净载荷MFR5.2超帧结构在建立ZigBee网络的时候，网络协调器会根据能量检测(ED)的结果选择一个状态良好的信道作为PAN的通信信道。加入这个网络的所有设备都将在这个频率上进行通信，无线通信资源将被多个设备所共享。ZigBee规范使用两种方法来控制设备对无线资源的争用，以保证通信的顺利进行，分别是基于竞争的机制和基于非竞争的机制。前者使用载波侦