zigbee发展环境研究

1、乙gbee发展环境研究摘 要zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无 线网络技术。zigbee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由ieee 802.15. 4规范实 现phy (物理层)和mac (媒体访问控制层)，对上zigbee提供了应用层接口。关键词zigbee： wlan： ieee802.15.4zigbee nj'以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络(wsn)的组网 以及其他无线应用。zigbee i作于2. 4 glk的免执照频段，町以容纳高达65 000个节点。 这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作62

2、4个月。除此之外，它还具有 很高的可靠性和安全性。这些优点使基于zigbee的wsn广泛应用于工业控制、消费性电了 设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。zigbee协议由zigbee联盟制定,是zigbee的核心。目前国外带有zigbee协议栈的全 功能开发系统的价格非常高昂，而且zigbee/802. 15. 4协议栈全部只提供二进制/不可修改 的目标代码库供用户使用。本文研究的zigbee精简版协议栈代码开放，在某些应用屮可以 达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此具有较简的研究价值和应用价值。一、zigbee技术特性zigbee这个字源自于蜜蜂群跳z形状的舞蹈，來

3、通知其它蜜蜂有关花粉位置等信息， 以达到彼此沟通讯息zh的，故以此作为新一代无线通讯技术z命名。zigbee先前亦被称 为r homerf lite、rf-easyl ink j或firefly无线电技术，目前统一称为zigbee。zigbee是-种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术，其传输 距离最远町达100公尺，便用频段为免便用中请的2. 4ghz -u 900mhz频段，传输速率为20k 至250kbps,网络架构具备master/slave属性，并可达到双向通信功用。根据zigbee的技 术本质，zigbee具有下列特性：(1)省电：zigbee传输速率低，使具传输

4、数据量少，所以 讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，zigbee处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之 间的转换时间，一般睡眠启动时间只有15ms,而设备搜索时间为30mso通过上述方式，使 得zigbee十分省电，电池可支持zigbee长达6个月到2年左右的使用吋间。(2)可靠度 高：zigbee的mac层釆用talk when-ready碰撞避免机制,这个机制为当有数据传送需求 时则立即传送，每个发送的数据封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回复，若没有得 到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，这种方式人幅捉髙系统信息传输之可靠 度。(3)高度扩充性：一个zigbee的网络最多包括

5、冇255个zigbee网络节点，其中一个 是master设备，只余则是slave设备。若是透过network coordinator则整体网络最多可 达到6千5百个zigbee网络节点，再加上各个network coordinator可互相连接,使整 体zigbee网络节点数冃将十分可观。zigbee与其它无线通讯技术相较，在区域与个人网络的无线通讯技术面貌，802.11系 列技术(wi-fi)主要定位在无线区域网络(wireless local area network, wlan),作数 据传输用，而bluetooths uwb与zigbee则是无线个人网络(wireless person

6、al area network, wpan)技术。bluetooth 标准具有数百 kbps 的传输速率适合于从数据传输，其次拥有qos机制适合于话音应用。uwb (ultrawideband) 标准具备高速与qos适合于多媒体应用。zigbee标准的特性为低消耗功率与低成木，符合 工业、家庭以及医学等控制与感测的需要，对数据速率和qos的要求不高。二、zigbee标准发展在标准规范的制订方面，主要是teee 802. 15. 4小纽与zigbee alliance两个组织负责, 两者分别制订硬件与软件标准，两者之间得角色与分工就如同ieee 802. 11小组与wi-fi z间的关系。在ie

7、ee 802. 15. 4方面，2000年12月ieee成立了 802. 15. 4小组，负责制订 媒体存取控制层（mac）与物理层（piiy）规范，在2003年通过802. 15. 4标准，2006年乂通过了 802. 15. 4b标准，802. 15. 4b 标准为802.15.4标准的改良版，其内容包括有解决标准疑义z处、降低复杂度、提高弹性 并思考新的频段分配等，此标准将可有效简化架构并改善互通性，进而提高系统的稳定度。 而在 zigbee 联盟方面,在 2002 年 10 月由 honeywell> mitsubishi、motorola> philips u inven

8、sys共同成立。zigbee联盟负责制订网络层、安全管理、应用界面规范，其次亦吊 负互通测试，现今约有90家会员。在物理层（physical, piiy）层方面,802. 15.4的工作频率分为2. 4ghz、915mhz和868mhz 三种，分别提供250kbps、40kbps和20kbps的传输速率，其传输范围介于10到100公尺之 间，一燉是30公尺。由于zigbee使用的是2. 4ghz> 915mhz和868mhz频段，这些频段因是 免费开放使用，故已有多种无线通讯技术使用，因此，zigbee为避免被干扰，故在各个频 段皆是采用直接序列展频（dsss）技术，以化整为零方式，将一

9、个讯号分为多个讯号，再经 由编码方式传送讯号避免干扰。这三者不同的频段，在调变技术方而，虽都是采取相位调变技术但仍有所差界，2.4ghz 采用较高阶的qpsk调变技术以达到250kbps的速率，并降低工作周期，以减少功率消耗。 而在915mhz和868mhz方面,则是用bpsk的调变技术。相较于2. 4ghz频段,900mhz频段 为低频的频段，故无线传播的损失较低，使其传输距离较长，其次此频段过去主要是室内无 线电话的使用频段，不过现在因室内无线电话转移到2.4ghz,干扰反而较少。在媒体存取控制（media access control, mac）层方面,主要是沿用wlan中802. 11

10、系列 标准的csma/ca方式，以提高系统兼容性，所谓的csma/ca是在传输z前，会先检查信道是 否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若是产生碰撞，则稍后重新 再传。在网络层方面,zigbee联盟制订zigbee可具备支持star cluster tree与mesh三种 网络架构，在各个节点角色方曲，可分为全功能设备（full-function device,以下简称 fed）与精简功能设备（reduced-function device,以下简称rfd）。相较j： ffd, rfd的电路较为简单且内存较小。ffd的节点具备控制器（controller） 的功能提供数据交

11、换，而rfd则是只能传送数据给予ffd或是从ffd接受数据。3 zigbee晶片现状zigbee的芯片架构，主要是mac处理封包，而phy则是接收处理射频（rf）讯号。zigbee 的系统架构，因其传输速率低并只做简易数据处理，所以系统架构上，在host端只需要搭 配简单的8位处理器，而在zigbee芯片模块方面,rf、phy与mac做成一单芯片，未来zigbee 芯片将会整合处理器。在内存方面,全功能设备（ffd）需要16k-20kbyte的rom,而精简功能设备（rfd）则 只需12k-16kbyte的rom。网络主要节点则因需处理节点设备信息、数据路径表、安全密钥 等信息，盂要更大的内存

12、。在协议堆栈（protocol stack）方面，完整的协议堆栈盂要32kbyte 记忆体，而简单协议堆栈则为4kbyte。在芯片价格方面，由于zigbee芯片设计架构简单，芯片已走向单芯片架构，加上内存等周 边组件需求量小，使zigbee的芯片价格具备低价化特性，在2004年第三季zigbee模块价 格约为2至5美元之间，未来随着zigbee芯片出货彊增加，芯片价格将会更加的低廉。四、zigbee应用领域zigbee的应用领域主耍有工业少环境控制、家庭口动化、家庭安全m个人医疗等，可 搭配应用产品则冇家电产品、消费性电了、pc外围产品与传感器等，提供家电感测、无线 pc周边控制、家电遥控等功

13、能。在工业领域，通过zigbee网络口动收集各种信息，并将信息冋馈到系统进行数据处理 与分析，以利工厂整体信息的掌握，例如火警感测和通知，照明系统感测，生产机台流程控 制等，都借助由zigbee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。在家庭口动化领域，涵盖项h有照明、温度、安全、控制等。zigbee模块可安装在电 视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯 泡开关中装置zigbee模块，当人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接透过遥控便可 开灯。借助zigbee nj*以收集家庭各种信息，传送到屮央控制设备，或是借助遥控达到远程 控制冃的，使家居生

14、活更朝向自动化、网络化与智能化，可以冇效增加人们居住环境的方便 性和舒适度。五、综合分析无线个人网络中一个匝要应用领域为数字家庭领域，全球数位家庭风潮方兴未艾，虽然 家庭全面走向数字化仍有一段路需耍走，但随着家电装置与多媒体娱乐数据都逐渐数字化, 家庭应用也将整合数据、通讯与娱乐，随后将整合控制，使家庭朝向自动化智慧家庭发展。在无线个人网络领域技术很多,对于zigbee而言,前有bluetoothl. 1> bluetoothl. 2, 后有uwbo bluetooth定位在语音与数据数据传输，uwb则是多媒体讯号传输，因此各依据 其技术特性，试图抢占各类应用产品山头，而这些技术由于各冇

15、其定位，故其竞争程度较弱。zigbee凭借其架构简单降低产品价格、低消耗功率延长使用寿命，即使传输速率不高, 但针对感测与控制的应用，这些应用只需有控制讯号传输，zigbee的低传输速率能满足所 需，这使zigbee具备很大的发展潜力，预计应用领域首先是工业领域，而后才是家庭领域。不过，尽管zigbee已取得ieee 802. 15. 4的标准支持，也已有应用在部分工业自动化 领域，然而市面上低价且成熟的芯片解决方案仍是有限。最后zigbee虽与uwb等技术相互 竞争度弱，但在感测与控制领域，专属小功率无线电技术、bluetooth lite ai rfid等各种 技术亦虎视眈眈，都将对zig

16、bee未來发展投下变量。参考文献1 钱进无线局域网技术与应用m出版社:电子工业出版，20042 李元安宽带无线接人和无线局域网m出版社:北京邮电大学出版社20003 孙宏，杨义先无线局域网协议802. 11安全性分析j出版社：电子学报2003（美）jim geier著无线局域网m王群,李馥娟，叶清扬译出版社:人民邮电出版社20015 g bianchi, <4perfonnance analysis of the ieee 802. 11 distributed coordination function, m ieee journal of selected areas in to i

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