基于ZigBee的技术的特点及应用

1、基于zigbee的技术的特点及应用近年来，各种无线通信技术迅猛进展，极大提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前进展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也比较高，并不适用于短距离无线通信的场合。技术的浮现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术。该技术主要针对低速率网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备(如温度调整装置、照明控制器、环境检

2、测传感器等)的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。二、zigbee技术的特点及应用zigbee技术主要用于无线个域网(wpan)，是基于ieee802.15.4无线标准研制开发的。ieee802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制(mediaaccess control，mac)层;zigbee联盟则在ieee 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。zigbee联盟成立于2001年8月，该联盟由invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数

3、据速率和qos(服务质量)要求不高的无线通信应用场合。zigbee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳zigzag外形的舞蹈来交互消息，以便分享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，zigbee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：低功耗：这是zigbee的一个显著特点。因为工作周期短、收发信息功耗较低、以及采纳了休眠机制，zigbee终端仅需要两节一般的五号干电池就可以工作六个月到两年。低成本：协议容易且所需的存储空间小，这极大降低了zigbee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且zigbee协议是免专利费的。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都十分短

4、。设备搜寻时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节约了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度猎取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时光内猎取信息并传输给网络控制者，从而阻挡火灾的发生。传输范围小：在不用法功率的前提下，zigbee节点的有效传输范围普通为10-75m，能笼罩一般的家庭和办公场所。数据传输速率低：2.4ghz频段为250kb/s，915mhz频段为40kb/s，868mhz频段惟独20kb/s。数据传输的牢靠性因为zigbee采纳了碰撞避开机制，同时为需要固定带宽的通信

5、业务预留了专用时隙，从而避开了发送数据时的竞争和矛盾。mac层采纳彻低确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必需等待接收方确实认信息，保证了节点之间传输信息的高牢靠性。zigbee的浮现将给人们的工作和生活带来极大的便利和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技术优势，适合的应用领域主要有：家庭和建造物的控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制以使其越发节能、方便，烟尘、有毒气体探测器等可自动监测异样大事以提高平安性;消费性设备：电视、dvd、cd机等电器的*(含zigbee功能的手机就可以支持主要遥控器功能)。pc外设：无线键盘、鼠标、嬉戏操纵杆等;工业控制：利用传感器和zigbee网络使数

6、据的自动采集、分析和处理变得越发简单;医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧张呼叫按钮等;交互式玩具。三、zigbee协议栈zigbee协议栈结构(图1)是基于标准osi七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。图1 zigbee协议栈ieee802.15.4定义了两个物理层标准，分离是2.4ghz物理层和868/915mhz物理层。两者均基于挺直序列扩频(directsequencespread spectrum，dsss) 技术。868mhz惟独一个信道，传输速率为20kb/s;902mhz928mhz频段有10个信道，信道间隔为2mhz，传输速率为40kb/s。以

7、上这两个频段都采纳bpsk调制。2.4ghz2.4835 ghz频段有16个信道，信道间隔为5mhz，能够提供250kb/s的传输速率，采纳o-qpsk调制。为了提高传输数据的牢靠性，ieee 802.15.4定义的媒体接入控制(mac)层采纳了csma-ca和时隙csma-ca信道接入方式和彻低握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到zigbee网络上，主要包括平安与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发觉和业务发觉。四、zigbee网络配置低数据速率的wpan中包括两种无线设备：全功能设备(ffd)和精简功能设备(rfd)。其中，ffd可以和ffd、rfd通信，而rfd只能和 ffd通信

8、，rfd之间是无法通信的。rfd的应用相对容易，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发觉和路由维护等功能。rfd占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。在一个zigbee网络中，起码存在一个ffd充当囫囵网络的协调点，即pan协调点，zigbee中也称作zigbee协调点。一个zigbee 网络惟独一个pan协调点。通常，pan协调点是一个特别的ffd，它具有较强大的功能，是囫囵网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。ffd和rfd都可以作为终端节点加入zigbee网络。此外，一般ffd也可以

9、在它的个人操作空间(pos)中充当协调点，但它仍然受pan协调点的控制。zigbee中每个协调点最多可衔接255个节点，一个zigbee网络最多可容纳65535个节点。五、zigbee网络的拓扑结构zigbee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状(mesh)网和混合网。星型网(图2-a)是由一个pan协调点和一个或多个终端节点组成的。pan协调点必需是ffd，它负责发起建立和管理囫囵网络，其它的节点(终端节点)普通为rfd，分布在pan协调点的笼罩范围内，挺直与pan协调点举行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。mesh网(图2-b)普通是由若干个ffd衔接在一起形成，它们之间是彻低的对

10、等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。mesh网中，普通将发起建立网络的ffd节点作为pan协调点。mesh网是一种高牢靠性网络，具有“自复原”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径浮现故障，则存在另一条或多条路径可供挑选。图2 zigbee拓扑结构mesh网可以通过ffd扩展网络，组成mesh网与星型网构成的混合网(图2-c)。混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的pan协调点。混合网都适用于笼罩范围较大的网络。六、zigbee组网技术zigbee中，惟独pan协调点可以建立一个新的zigbee网络。当zigb

11、eepan协调点希翼建立一个新网络时，首先扫描信道，寻觅网络中的一个空闲信道来建立新的网络。假如找到了合适的信道，zigbee协调点会为新网络挑选一个pan标识符(pan标识符是用来标识囫囵网络的，因此所选的pan标识符必需在信道中是唯一的)。一旦选定了pan标识符，就解释已经建立了网络，此后，假如另一个zigbee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个zigbee协调点还会为自己挑选一个16bit网络地址。zigbee网络中的全部节点都有一个 64bitieee扩展地址和一个16 bit网络地址，其中，16bit的网络地址在囫囵网络中是唯一的，也就是802.15

12、.4中的mac短地址。zigbee协调点选定了网络地址后，就开头接受新的节点加入其网络。当一个节点希翼加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜寻它周围存在的网络，假如找到了一个网络，它就会举行关联过程加入网络，惟独具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。假如网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以举行孤立通知过程重新加入网络。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发觉表，它可以参加数据包的转发、路由发觉和路由维护，以及关联其它节点来扩展网络。zigbee网络中传输的数据可分为三类：周期性数据，例如传感器网中传输的数据，这一类数据的传输速率按照不同的应用而确定;间歇性数据，例如电灯开关传输的数据，这一类数据的传输速率按照应用或者外部激励而确定;反复性的、反应时光低的数据，例如无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是按照时隙分配而确定的。为了降低zigbee节点的平均功耗，zigbee节点有激活和睡眠两种状态，惟独当两个节点都处于激活状态才干完成数据的传输。在有信标的网络中，zigbee协调点通过定期地广播信标为网络中的节点提供同步;在无信标的网络中，终端节点定期睡眠，定期醒来，除终端节点以外的节点要保证始终处于激活状态，终端节点醒来后会主动咨询它的协调点是否有数据要发送给它。在zigbee