ZigBee无线技术

ZigBee无线技术（通用12篇）

ZigBee无线技术 篇1

0 引言

ZigBee的基础是 IEEE802.15.4,这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准,被称作 IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee协议由五家公司共同提出:Honeywell、Invensys、三菱电气、摩托罗拉和飞利浦。IEEE802.15.4工作组为ZigBee定义了三个免受权频段:2.4 GHz(全球应用),915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。

ZigBee采用DSSS技术,与蓝牙等无线通讯技术相比,它具有如下特点[1]:

(1) 功耗更低:ZigBee Alliance网站公布,以一般电池电力而言,ZigBee产品可使用数月至数年之久。它非常适用于那些需要一年甚至更长时间才需更换电池的设备(如典型的监控设备)。

(2) 接入设备多:ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有255个激活节点,多个网络协调器可以联接大型网络。2.4 GHz频段可容纳16个通道,每个网络协调器带有255个激活节点(蓝牙只有8个),ZigBee技术允许在一个网络中包含4千多个节点。

(3) 成本更低:ZigBee只需要80C51之类的低档处理器以及少量的软件即可实现,无需主机平台。从天线到应用实现只需1块芯片即可。蓝牙需依靠较强大的主处理器(如ARM7),芯片构架也比较复杂。

(4) 传输速率更低:ZigBee的低功率导致了低传输速率,其原始数据吞吐速率在2.4 GHz(10channels)频段为250 kbps,在915 MHz(6 channels)频段为40 kbps,在868 MHz(1 channel)频段为20 kbps。传输距离为10~20 m。

1 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[2]。从网络层以上的协议有ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4标准定义物理层和数据链路层。

1.1 物理层(PHY)

物理层是协议层的最底层,主要工作是要启动与关闭无线传输接收器、传输与接收数据、使用频道的选择、在目前频道上做讯号能量侦测、数据调变传输与接收解调、空闲频道评估(CCA)和针对接收的封包执行链路品质指示(LQI)。

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4 GHz和868/915 MHz物理层。2.4 GHz的物理层通过采用16相调制技术,能够提供250 kbps的传输速率。868 MHz的传输速率为20 kbps,916 MHz上的传输速率则是40 kbps。

物理层提供两个服务:数据服务和管理服务。数据服务:在物理无线信道上接受和发送物理协议数据单元。管理服务:维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

物理层负责下面的任务:

(1) 无线收发信机的激活和去激活。

(2) 在当前信道上的能量检测。

(3) 链路质量指示,用在接受的数据包上。

(4) 清除信道估计算法用在CSMA/CA技术中。

(5) 信道频率选择。

(6) 信道数据的接受。

1.2 数据链路层(MAC)

物理层之上的数据链路层基于物理层所提供的服务,负责设备间无线数据链路的建立,维护和结束,确认模式的帧传送与接受,信道接入控制,帧校验,预留时隙管理和广播信息管理。IEEE802.15.4的MAC层可足够灵活地来处理这些数据通信。MAC层有两种信道访问机制:无标识网络和标识使能网络。无标识网络节点成功接受到信息包后能产生一个积极的回应。标识使能网络采用超帧结构,这一方面为了有专用的带宽和低的反应时间,另一方面可通过网络协调器设定在预定时间间隔内传输标识。

MAC层使用标识使能来处理周期性数据,当有标识使能时,传感节点会被唤醒来检测信息,然后再返回睡眠状态。间歇性数据可以在无标识网络中被处理或是以不连贯的方式被处理。当以不连贯方式处理时,通信需要在能节约大量能量的情况下,设备才加入网络。低反应时间操作可用于保证时间分割(GTS)操作中。GTS是高服务质量的一种方法,它允许每个设备有一个特定的时间间隔,这样每个超帧就可以自由传输而不需要反应和争抢。

1.3 网络层

物理层上面的网络层由ZigBee标准规定,它确保正确的操作IEEE802.15.4MAC子层和应用层提供服务接口。网络层为应用层提供两种服务实体:数据实体和管理实体。网络层数据实体通过提供数据传输服务,网络层管理实体通过提供管理服务,同时,利用来完成一些管理任务,负责维护网络数据。

ZigBee提供了:星形网络、树状网络和网状网络三种拓扑结构[3]。

(1) 星型网络配置包含了一个ZigBee协调器节点和一个或更多的终端设备。在星型网络中,所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。

(2) 树状网络,在这种配置下,终端设备可以选择加入ZigBee协调器或者ZigBee路由器。路由器提供两种功能的服务。一是为整个网络增加可能的节点数。二是扩展网络覆盖的物理范围。有了路由器以后,终端设备不需要在协调器的射频范围内,也可以加入网络。在树状网络中,所有的信息都由树节点来组织路由。

(3) 网状网类似于树状网络配置,只是FFD可以直接把消息发送给其他的FFD而不用沿着树来传输。来自RFD的消息依然要通过它的父节点来转发。网状网络拓扑的优势在于减少了消息传输的时延并且增加了可靠性。

1.4 应用层

ZigBee应用层由三个部分组成,APS子层、ZDO(包含ZDO管理平台)和制造商定义的应用对象。其中,APS提供了这样的接口:在NwK层和APL层之间,从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体实现:APS数据实体(APSDE)和APS管理实体(APSME);ZigBee设备对象(ZDO),描述了一个基本的功能函数,这个功能在应用对象、设备profile和APS之间的提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。

每个ZigBee设备都与一个特定模板有关,可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义的,并以应用对象的形式实现。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分它们都是器件中可寻址的组件。ZigBee应用层目前只定义编号1~240的240个应用对象,而241~254则是保留予未来使用。另外,编号0与编号255是给予其他方面使用。ZigBee应用层的通讯基础是由ZigBee产品供应商发展的模板所构成,某一模板提供对ZigBee特定应用技术需求的解决方案。

2 路由算法

由ZigBee联盟发布的ZigBee协议的标准中,网络层通过两种路由协议相互补充进行路由的发现与数据的转发[5]。这两种路由协议分别是按需路由协议AODV和基于分簇的Cluster-Tree协议。树型路由适用于节点静止或者移动较少的场合,属于静态路由,不需要路由表,节省存储资源,对于传输数据包的响应较快,但缺点是很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低。AODV协议主要适用于动态变化的网络环境中,通过路由请求、路由回复等机制每次都能发现最新的转发路径。但是在有的无线传感器网络中,节点被部署之后一般都不再发生移动,网络拓扑的变化也很缓慢,各个传感器节点只要把采集到的数据发送给汇聚点。而相互之间不需要进行通信。在这样的情况下,AODV协议就显得太过复杂。因此,许多从事ZigBee技术的研究人员都提出相应的Cluster-Tree,AODV改进算法,下面对几种改进算法进行简单阐述。

(1) AODVjr是一种简化版本的AODV,主要是考虑到ZigBee无线传感器网络的电池能量有限性、应用方便性等因素,而简化了AODV的一些特点。

(2) 为使簇树路由算法在缩短时延方面有更好的效果,应该考虑邻居节点和选择下一跳节点是到目的节点的最短路径的节点,这是基于Greedy算法的想法,提出了改进的Cluster-Tree算法。

(3) 针对ZigBee网络的Cluster-Tree算法对簇首能量要求高及节点间非最佳路由的问题,提出了Cluster-Tree路由改进算法,对簇首的选择必须考虑到节点的剩余能量,并结合AODVjr算法来降低路由距离,进而减少转发数据的能量损耗。

(4) 通过研究ZigBee协议网络层的路由算法,分析了树型路由算法和AODVjr路由算法,并在此基础上对树型路由算法提出了一种改进算法(ITRA),该改进算法将节点分为两类:一类是具有足够的存储空间和能力执行AODVjr路由协议的节点,另一类是指存储空间受限,不具有执行AODVjr路由协议能力的节点,改善了原有树型算法的路由效率低问题和避免AODVjr算法的能量消耗和路由表问题。

(5) 文中分析了无线传感器网络的特点和ZigBee协议中的Cluster-Tree路由算法,对其中的分簇方法进行了研究,在此算法的基础上,利用节点的深度信息对算法进行了简化,并考虑了能量均衡利用的问题,以实现延长网络生存周期的目的。改进后的算法在延长网络生存期方面比LEACH有很大提高。

(6) 针对ZigBee网络簇树拓扑结构的不足,新的算法在选择父节点时综合考虑节点的深度、能量和负载情况,使簇树结构有助于减少数据转发跳数,并在负载均衡方面更加优化。新策略在优化簇树结构的基础上,充分利用本地信息和簇树结构对ZBR策略进行改进。仿真实验验证,改进策略能有效减少网络能耗,均衡网络负载,最大化网络的生存时间。

(7) 针对网络随着载荷增加,数据包碰撞概率增大的情况,提出一种频点分配算法FFD。该算法以点着色理论为基础,结合功率控制,采用分布控制方式,使不同分簇内部采用不同的频点通信,以避免簇间干扰,降低碰撞概率。而簇内通信使用小功率,使节点特别是簇头能量得到有效利用。

3 ZigBee应用

ZigBee技术主要是嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

通常,符合如下条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术做无线传输[6]:

(1) 设备成本很低,传输的数据量很小;

(2) 设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;

(3) 没有充足的电力支持,只能使用一次性电池;

(4) 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;

(5) 需要较大范围的通信覆盖,网络中的设备非常多,但仅用于监测或控制。

4 小结

本文介绍了ZigBee技术的优点,协议栈各个层的功能,针对ZigBee低能耗问题,简单介绍了几种改进的路由算法,并简单介绍了ZigBee的应用。

参考文献

[1]喻金钱,喻斌.短距离无线通信详解[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:1-5.

[2]李文仲,段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008:1-17.

[3]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:1-17.

[4]瞿雷,刘盛德.ZigBee技术及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:1-14.

[5]柳卫林.基于ZigBee技术的智能家居控制系统的设计与实现[D].东华大学硕士学位论文,2010.

[6]高守伟,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009:58-350.

[7]林玉池,曾周末.现代传感技术与系统[M].北京:机械工业出版社,2009:155-193.

[8]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:4-18.

ZigBee无线技术 篇2

基于ZigBee技术的雷达模拟器设计与实现

为了提高机务人员对某新型机栽雷达的维护能力,增强飞行员在现代电磁环境下雷达对抗水平,介绍了一种基于Zig-Bee技术的雷达模拟器设计与实现.重点阐述了无线传感网在模拟器设计中的应用,详细分析了无线节点的软硬件设计、游戏飞行手柄数据的读取及雷达工作状态显示.由于模拟器使用了ZigBee技术,因此其具有成本低、功耗低、管理方便等特点的特点,特别是其符合IEEE802.15.4协议,利于系统与其它符合标准的`产品的互联,具有良好的通用性和可扩展性.

作 者：李密 吕钊  作者单位：李密(空军第一航空学院航空电子工程系,河南,信阳,464000)

吕钊(空军第一航空学院航空电子工程系,河南,信阳,464000;安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室,安徽,合肥,230039)

刊 名：工业控制计算机 英文刊名：INDUSTRIAL CONTROL COMPUTER 年，卷(期)： 22(9) 分类号： 关键词：ZigBee   串行通信   雷达  

与蜂共舞－ZigBee技术一瞥 篇3

关键词：短距离无线通信；ZigBee；IEEE 802.15.4

概述

“ZigBee”是什么?从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂”。下面就让我们一起进入这只蜜蜂的世界，与蜂共舞吧!

这只蜜蜂的来头还是要从它的历史开始说起，早在上世纪末，就已经有人在考虑发展一种新的通信技术，用于传感控制应用(sensorand contr01)，这个想法后来在IEEE 802.15 211作组当中提出来，于是就成立了TG4工作组，并且制定了规范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的规范只专注于底层，要达到产品的互操作和兼容，还需要定义高层的规范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”这个名词。两年之后，ZigBee的第一个规范ZigBeeV1.0诞生，但这个规范推出的比较仓促，存在一些错误，并不实用。此后ZigBeeAlliance又经过两年的努力，推出了新的规范ZigBee2006，这是一个比较完善的规范。据联盟最新的消息，今年年底将会发布更新版本的规范ZigBee 2007，这个版本增加了一些新的特性。

从ZigBee的发展历史可以看到，它和IEEE 802.15.4有着密切的关系，事实上ZigBee的底层技术就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一种说法认为ZigBee和IEEE 802.15.4是同一个东西，或者说“ZigBee”只是IEEE802.15.4的名字而已，其实这是一种误解。实际上ZigBee和IEEE 802.15.4的关系，有点类似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi－Fi和IEEE802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1。“ZigBee”可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当把它看作一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和MAC层直接引用IEEE 802.15.4。事物是不断的发展变化的，尤其是通信技术，可以想象将来的ZigBee可能不会使用IEEE 802.15.4定义的底层，就跟蓝牙(Bluetooth)宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是“ZigBee”这个商标以及高层的技术还会继续保留。

ZigBee协议栈速读

我们无法预料将来ZigBee会基于怎样的底层技术，只好从它现在的底层——IEEE802.15.4开始了解，IEEE 802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBeeSE作在三种频带上，分别是用于欧洲的868MHz频带，用于美国的915MHz频带，以及全球通用的2.4GHz频带，但这三个频带的物理层并不相同，它们各自的信道带宽分别是0.6MHz，2MHz和5MHz，分别有1个，10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别，虽然都使用了直接序列扩频(DSSS)的方式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差别，调制方面都使用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图，可以看到物理层部分非常简单，而IEEE 802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能，但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比较，在同样比特信噪比的情况下，IEEE802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30－50m作用距离，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m作用距离；同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来，IEEE 802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面，我们可以看到IEEE802.15.4的数据速率并不高，对于2.4GHz频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。

物理层的上面是MAC层，它的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMAJCA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标(beacon)模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。

MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了，我们可以参看一下ZigBee的协议栈。底层技术，包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定，而高层的网络层、应用支持子层

(APS)、应用框架(AF)、zigBee设备对象(ZDO)和安全组件(SSP)，均由ZigBee AUiallo~所制定。

这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样，ZigBee网络层的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算——树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，因为整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，而末端节点没有子节点，相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构，协调器相当于蜂后，是唯一的，而路由器相当于雄蜂，数目不多，末端节点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想，就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法，使用四个参数一深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，于是寻址的时候根据地址就能计算出路径，而路由只有两个方向一向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表，节省存储资源，但缺点是很不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低，因此常常作为最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由，这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版本，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。除了这两种路由方法，ZigBee当中还可以进行邻居表路由，其实邻居表可以看作是特殊的路由表，只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。

网络层的上面是应用层，包括了APS、AF和ZDO几部分，主要规定了一些和应用相关的功能，包括端点(endpoint)的规定，还有绑定(binding)、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方，ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上，例如一个节点具有控制灯光的功能，又具有感应温度的功能，又具有收发文本消息的功能，这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个“互补的”应用联系在一起，如开关应用和灯的应用。更通俗的理解，“绑定”可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如开关需要控制“灯”，但它一开始并不知道“灯”这个应用所在的设备地址，也不知道其端点号，于是它可以广播一个消息，当“灯”接收到之后给出响应，于是开关就可以记录下“灯”的通信信息，以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现是应用层需要提供的，zigBee定义了几种描述符，对设备以及提供的服务可以进行描述，于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。

zigBee还提供了安全组件，采用了AESl28的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护，另外还规定了信任中心(trust Cell－ter)的角色一全网有一个信任中心，用于管理密钥和管理设备，可以执行设置的安全策略。

zigBee性能分析

上面对ZigBee协议栈作了一些介绍，要知道ZigBee能胜任什么工作，还需要作进一步的分析，主要有几个方面：数据速率、可靠性、时延、能耗特性、组网和路由。

ZigBee的数据速率比较低，在2.4GHz的频段也只有250kb/s，而且这只是链路上的速率，除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传，真正能被应用所利用的速率可能不足100kb/s，并且这余下的速率也可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。所以我们不能奢望ZigBee去做一些如传输视频之类的高难度的事情，起码目前是这样，而应该聚焦于一些低速率的应用，比如人们早就给它找好的一个应用领域一传感和控制。

至于可靠性，ZigBee有很多方面进行保证，首先是物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，而MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能，另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道，也可以起到避开干扰的作用，网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信。据了解，在最新的ZigBee 2007协议栈规范当中，将会引入一个新的特性——频率捷变(frequency agility)，这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。这个特性大致的意思是当ZigBee网络受到外界干扰，比如Wi—Fi的干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

时延也是一个重要的考察因素。由于ZigBee采用随机接入MAC层，并且不支持时分复用的信道接入方式，因此对于一些实时的业务并不能很好支持。而且由于发送冲突和多跳，使得时延变成一个不易确定的因素。

能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常情况下，ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低，在不需要通信的时候，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态的千分之一。由于一般情况下休眠的时间占总运行时间的大部分，有时可能正常工作的时间还不到1％，因此达到很高的节能效果。在这种情况下，ZigBee的网络有可能依靠普通的电池连续运转一两年。当然，ZigBee节点能够方便的在休眠状态和正常运行状态之间灵活的切换，和它底层的特性是分不开的。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几毫秒，而且由于使用直接扩频而不是跳频技术，重新接入信道的时间也很快。

最后是组网和路由特性，它们属于网络层的特性，ZigBee在这方面做得相当出色。首先是大规模的组网能力——ZigBee可以支持每个网络多达六万多个节点，相比之下，Bluetooth只支持每个网络8个节点。这是因为ZigBee的底层采用了直扩技术，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需要同步。而且节点加入网络和重新加入网络的过程也很快，一般可以做到一秒以内甚至更快，而Bluetooth通常需要3s时间。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，因此可以布设范围很广的网络，并且支持多播和广播的特性，能够给丰富的应用带来有力的支撑。

ZigBee应用浅淡

上面介绍了ZigBee的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些说法把它跟其它他的无线技术，如Wi－Fi、Bluetooth、RFID、NFC

等等进行类比，说某种技术不如另一种，甚至说某种技术要取代另一种，这样的说法是片面的。作为一种低速率的短距离无线通信技术，ZigBee有其自身的特点，因此应该有为它量身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看zigBee可能的一些应用，包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。

智能家庭：家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。

工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。

自动抄表：抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，很不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。

医疗监护：电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。

传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。

电信应用：在2006年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡，并命名为“ZSIM”。其实这种SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的一种手段。而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻，说联盟的成员在开发电信相关的应用。如果ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来，那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。虽然现在的GPS定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而zigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。

结语

浅析ZigBee技术 篇4

有许多标准能写地址从中间到高数据速率为声音, PC LANs, 视频等。然而, 直到现在仍没有一个无线网络的标准满足传感器和控制设备的独特需求。传感器和控制不需要高带宽但为长的电池寿命和大的设备阵列, 需要低延时和非常低的能耗。现在有许多专利无线手动的系统解决了许多问题, 如不需要高数据速率但需要低成本和非常低的电流耗竭。设置这些专利系统, 因为没有标准能满足这些需求。

Zig Bee联盟不是推动一个技术, 而是提供一个为传感器和控制系统解决方法的标准化的基础集。为了一个低成本然而允许高水平的集成度, 设计物理层适应此需求。使用直接序列允许模拟电路成为非常简单的和非常宽容的且不昂贵的实现。在没有复杂度的情况下, 设计MAC层允许多址技术。功率管理操作不需要多模操作。MAC允许一个精简的功能设备 (RFD) , 不需要有闪存, 既无大量的ROM又无RAM。在无需被“停止”的情况下, 设计MAC处理大量设备。在无需高功率传输者的情况下, 设计网络层允许网络为空间地成长。网络层也能处理具有相对低延时的大量节点。

2 Zig Bee的特点

Zig Bee随时准备着成为全球的控制/传感器网络标准.已被设计提供下列特点:

⑴简单地实现低功率消耗;

⑵用户期待电池能持续许多月甚至许多年.考虑一个典型的单个的家庭房有近6个烟/公司探测器.如果为每一个用户的电池仅持续6个月, 家庭拥有者每一个月将取代电池;

⑶蓝牙有许多不同模式和州, 取决于延时和功率需求如吸气管, 公园, 控制, 主动等.Zig Bee/IEEE802.15.4有活跃 (传送/接收) 或者休眠.应用软件需要聚集在应用层, 不在功率模式优化每一个方面的操作;

⑷甚至主要功率设备需要有能量意识。考虑一个具有100个无线控制/传感器设备的未来家。案例一:802.11接收功率是667毫瓦 (通常) 在100设备/家且50000家/城市=3.33兆瓦。案例二:802.15.4接收功率是30毫瓦 (通常) 在100设备/家且50000家/城市=150千瓦。案例三:802.15.4功率循环在1% (典型点空比) =150瓦;

⑸Zig Bee设备将比其预测者更经济, 在全部部署处节省兆瓦;

⑹低成本 (设备, 安装, 维护) -对用户低成本意味着低成本设备, 低安装成本及低维护.Zig Bee设备允许电池持续至数年, 使用主要蜂窝 (低成本) 在无任何电池 (低成本) 和易安装的情况下, Zig Bee的简单性允许内在的配置和网络设备的冗余性提供低维护;

⑺每个网络节点的高密度-Zig Bee使用IEEE802.15.4物理层和MAC层允许网络去处理任何数量的设备.这种贡献对大量传感器阵列和控制网络是关键的;.

⑻简单协议, 全球实现Zig Bee协议代码栈被估计大约是蓝牙和802.11的四分之一.简单性对成本, 内部操作性和维护是必须的.IEEE802.15.4物理层采用Zig Bee在欧洲已被设计到868NHZ.在美国, 澳大利亚等915MHZ, 2.4GHZ带现已被识别到全球的全球带, 在大部分国家可接受.。

3 Zig Bee/IEEE802.15.4-整体特性

双物理层 (2.4G和868/915MHZ) ;数据速率250KBPS在2.4GHZ, 40KBPS在915MHZ 20KBPS在868MHZ;优化低点空比 (<0.1%) ;CSMA-CA信道访问;产出高吞吐量和低延迟为低占空比设备像传感器和控制;低功率 (电池寿命多月至年) ;多拓扑:星型, 点对点, 网壮;地址空间至65535网络;可选择的保护的时间为应用.需要低延迟;为可靠性传送完全摇手协议;范围:50米典型的 (5-500米基于环境) ;

4 Zig Bee和蓝牙是竞争者还是互补?

第一、蓝牙最适合:同步化蜂窝到PDA;免提的视频;PDA到打印机。而Zig Bee更适合于;控制;传感器;许多设备;低占空比;小数据包;长电池寿命是关键。第二、对空中接口进行比较:Zig Bee是直扩;每符号11芯片;每秒62.5千符号;每符号4比特;最大的信息速率到每秒128千比特。蓝牙:跳频;每秒1600跳频;每秒1兆符号;每符号1比特;最大的信息速率每秒108至723千比特。第三、与蓝牙比较电池耗竭, 包长能影响电池耗竭。典型地较短的包较快的设备能进入休眠。蓝牙是一个分槽的协议。通信能发生在625µS, 1875µS, 或者3125µS槽。为蓝牙速率的最大值是三个槽尺寸的结果, 当一个包变得太大为一个槽, 它必须增加至一槽尽管它不需要填满整个槽分配。IEEE802.15.4为小包而设计, 所以不足为奇它在这些小包处更有效, 由于一个更高的有效的速率, 尽管它低的原始数据速率。最后, Zig Bee和蓝牙为两个不同的应用领域有两个解决方法。不同点是从方法到预期的应用:蓝牙写地址给一个声音应用通过具体化一个具有掌握奴隶协议的快速频率跳频系统。而Zig Bee写地址给传感器, 控制和其它短信息应用通过具体化一个具有星型或对等的协议的直接序列系统。小的改变到蓝牙或Zig Bee不会改变他们的内在行为或特点, 不同行为来自结构的不同。

摘要：ZigBee技术-无线控制能使工作变得更加简单, 本文简单的介绍了ZigBee的特点和整体特性, 以及ZigBee和蓝牙狭义的比较。

关键词：ZigBee,特点,整体特性,蓝牙

参考文献

Zigbee读书日记(七) 篇5

Zigbee读书日记

（七）--基于Contiki的开源Zigbee-freakz研究(前言)

此系列笔记已经很长时间没更新了，主要是在忙着2530开发板的事情，项目规划、例程、文档甚至元件采购，实在有太多事情要忙了。还好，不是一个人在战斗~~这两天因为有些工作要等手样出来才能继续，所以就空出一点时间，想把开源Zigbee的项目先启动起来。

本来是没时间写这个贴的，但是想把自己最近做的事情跟大家做个交代，同时也希望能寻找些有共同爱好的朋友能一起来做这个事情。废话不说了，先说说我的想法，我想论坛会按照开源操作系统+开源Zigbee，然后扩展到TCP/IP这个方向去走。之前选择的平台是msstatePAN，但是最近一段时间的了解，虽然msstatePAN可以直接支持CC2430，用起来相对会容易些。但毕竟这个协议还很初级，很多功能没有完成。程序写得也不是太规范，而且作者最近几年都没有更新了。而freakz这个协议，用的是开源的contiki操作系统，其扩展性会好很多，因为在contiki基础上，已经有很多不错的应用了，甚至是开源的IPV6。而且针对Zigbee来说，其协议虽然离产品化还有距离，但是要完整很多，唯一的缺点就是硬件还不支持TI系列。

ZigBee无线技术 篇6

关键词：无线网络；ZigBee；矿山生产安全；监测

中图分类号：TP202 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-02

Mine Wireless Network Application Research Based on ZigBee

Zhang Yue,Zhu Wei

（Resources and Safety Engineering Institute,Central South University,Changsha410012,China）

Abstract:This paper analyzes the importance of developing Zigbee technology as a representative of a mine wireless networkin the process of safe production in mines.Introduces the characteristics of the technology and application ZigBee wireless network advantage in mine,introduces ZigBee technology in the present situation and application examples of mine.And according to the current application analyzes the deep mining and the safe production in large application prospect.

Keywords:Wireless network;Zigbee;Mine production safety;Monitoring

一、引言

礦山监测、监控系统已成为矿山安全生产、灾害预警和事故救援的重要装备。目前，绝大多数矿山安全监控系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等。这些传统的有线布设方式存在着布线繁琐，安装维护成本大、覆盖范围有限、线路依赖性强等缺陷和不足。在这样的背景下，近年来，矿井无线监测系统得到了长足的研究和发展。

传统矿井无线监测和应急通信技术主要包括超低频透地通信、中频感应通信、漏泄电缆通信和超高频通信、小区蜂窝无线通信以及矿用小灵通等通信系统。此外，采用WiFi/ZigBee/RFID/UWB/WMN等短距离无线网络与通信技术的系统也是研究的发展趋势。

其中，ZigBee技术以其成本低、功耗少、可靠性高、组网灵活、易于维护等优点成为近年来矿井监测系统研究和应用较多的一种无线网络技术。

二、ZigBee技术简介

ZigBee技术的命名，来源于蜜蜂用曲折的舞蹈方式表示采蜜位置、距离和方向的含义。2003年，IEEE无线个人局域网（PAN）工作组发布的IEEE 802．15．4技术标准是ZigBee技术的基础。IEEE802．15．4为ZigBee定义了两个物理层标准，分别是2．4GHz物理层和868/915MHz物理层。这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖设定的区域。简而言之，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（小于250kbit/s）、低成本、工作在2．4GHz和868/928MHz的无线网络技术。

三、ZigBee技术的特点

（一）数据传输速率低：只有104字节/秒到2504字节/秒，专注于低速率传输应用。

（二）时延短：通常时延都在15ms至30ms之间，适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

（三）低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，功耗远远小于其他无线设备，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

（四）低成本：ZigBee协议简单，免收专利费，此外，ZigBee模块是集成度很高的单芯片，目前成本为6美元，预计生产成本可降至2-3美元，设备投入低，所以大大降低了成本。

（五）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，即每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

（六）有效范围小：有效覆盖范围10-75m之间，扩展后也可达几百米，甚至几公里。

（七）可靠度高：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，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据报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进行重发。

四、ZigBee技术在矿井中的应用实例及分析

目前，ZigBee技术已经在矿山中的到了一些应用和发展，如基于ZigBee技术开发了用于矿井人员管理及救援的矿井智能头盔，用于矿井机车定位和调度的智能矿井机车运输监控系统，用于矿井漏电保护、防爆、温度监测等的矿井综合监测系统。根据Zigbee技术的应用可以分为以下两方面：

（一）对移动目标的定位和管理。对移动目标的定位是根据两点信号强度定位法进行定位：当移动目标在不同的位置发射信号时，处于与该移动目标两端的网络节点接收到的信号强度因节点距移动目标的距离不同而强度不同，相应的两个网络节点将接收到的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。通过对移动目标的定位和监控，不仅可以对井下作业人员进行管理，对机车进行实时调度，提高作业效率。而且，当出现事故时，可以很快确定井下人员位置，实施救援。

（二）对矿山生产环境的监测

图1.ZigBee井下监测系统的整体架构

具体方案为在井下监测区域内布置若干传感器节点，实时采集矿井内的坑壁压力、采场温湿度、有害气体浓度等环境信息，然后通过节点内部的嵌入式系统对数据进行处理，节点间通过无线通信形成自组织网络以中继多跳的方式传递监测信息，最后传输到中段的汇聚节点。汇聚节点连接传感器网络和外部网络，实现通信协议之间的转换，并把收集的数据转发到外部网络上，传到远程的监控终端。

相比传统的有线网络通信方式，基于ZigBee的无线传感器网络不仅大大降低了成本，灵活性和覆盖范围大大提高，而且维护也变得简单。

五、ZigBee技术在深部开采中的应用前景

我国有很多重要的金属矿产资源都是通过地下开采的方式获得，随着浅部资源的逐渐减少和消失，地下开采的比例将越来越大，包括现有的部分露天矿山也将转入地下开采。经过几十年的开采，目前很多地下矿山均己进入深部开采。如铜陵狮子山铜矿的开采深度已达1100米，山东玲珑金矿和吉林夹皮沟金矿已到1000米，辽宁红透山铜矿已达1300米等。

随着开采深度的不断增加，“三高一扰动”（即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质力学条件成为制约深部开采的重大问题。科学、准确、合理的监测系统是减少和预报深井开采灾害的重要手段。基于ZigBee技术的自身优势和现有井下无线技术解决方案，ZigBee技术将在深井开采方面发挥重大作用。

特别是将ZigBee技术嵌入到现有的微震监测系统中，对现有的微震监测系统进行技术改进。一方面可以通过成本的降低来增大传感器的布置规模，获得更大的样本容量，提高岩爆预测的准确度和可靠度；另一方面，采用ZigBee无线技术后，节点的布置更加灵活，使岩爆的预测更加的科学。

六、结语

随着技术的成熟和开采环境的日益复杂，以ZigBee技术为代表的无线技术，将成为矿井监控、定位中的主要通信手段，矿井的无线技术应用值得探索，并将进一步推动矿山数字化和信息化的进程。

参考文献：

[1]戚晴晴,吕英华.基于ZigBee的矿井监测网络研究[C].2009通信理论与技术新发展——第十四届全国青年通信学术会议论文集.

[2]李峥,苗曙光.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2010,8

无线通信技术ZigBee研究 篇7

Zig Bee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域,可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制[1]。Zig Bee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳Zig Zag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通信技术的名称[2]。Zigbee过去称为“Home RF Lite”、“RF-Easy Link”或“Fire Fly”无线电技术,目前统一称为Zig Bee技术。

2 Zig Bee的技术特点

Zig Bee是一种无线连接,可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,Zig Bee具有如下特点[3]:

(1)低功耗:由于Zig Bee的传输速率低,发射功率仅为1m W,而且采用了休眠模式,功耗低,因此Zig Bee设备非常省电。据估算,Zig Bee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,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2)成本低:Zig Bee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且Zig Bee协议是免专利费的。低成本对于Zig Bee也是一个关键的因素。

(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此Zig Bee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(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,一个区域内可以同时存在最多100个Zig Bee网络,而且网络组成灵活。

(5)可靠: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,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了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进行重发。

(6)安全:Zig Bee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

3 Zig Bee的协议模型

Zig Bee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。在标准规范的制订方面,主要是IEEE802.15.4小组与Zig Bee联盟两个组织,两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC(媒体接入层)与PHY(物理层)规范。Zig Bee建立在802.15.4标准之上,它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲领。Zig Bee协议栈的模型如图1所示:

Zig Bee的协议栈由高层应用规范、应用层、网络层、数据链路层组成[4]。网络层以上协议由Zig Bee联盟制定,IEEE负责物理层和数据链路层标准的制定。下面分别介绍应用层、网络层、数据链路层各部分的功能:

(1)应用层主要负责把不同的应用映射到Zig Bee网络上,具体功能包括:(1)安全与鉴权;(2)多个业务数据流的汇聚;(3)设备发现;(4)业务发现。

(2)网络层功能如下:(1)通用的网络层功能,包括拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,寻址、路由和安全;(2)有自组织、自维护功能,最大程度减少消费者的开支和维护成本。

(3)IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中LLC子层的主要功能包括:(1)传输可靠性保障和控制;(2)数据包的分段与重组;(3)数据包的顺序传输。MAC协议包括功能如下:(1)设备间无线链路的建立、维护和结束;(2)确认模式的帧传送和接收;(3)通道接入控制;(4)帧校验;(5)预留时隙管理;(6)广播信息管理。

4 Zig Bee的应用场合

Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想,它的应用目标主要是:工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络),医护(如监视和传感),家庭智能控制(如照明、水电气计量及报警),消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

一般而言,满足如下一些特点的应用场合,是Zig Bee应用极具优势的地方[5]:

(1)需要无线通信交换信息的低成本装置;

(2)数据的交换量较小、传输的速率要求不高;

(3)功耗要求极低,采用电池供电且需要维持较长时间;

(4)需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络,主要进行监测和控制的场合。

下面就Zig Bee的可能应用的几个领域举例加以说明:

(1)工业领域:

通过Zig Bee网络自动收集各种信息,并将信息回馈到系统进行数据处理与分析,以利工厂整体信息之掌握,例如火警的感测和通知,照明系统之感测,生产机台之流程控制等,都可由Zig Bee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制的目的。

(2)数字家庭领域

Zig Bee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。Zig Bee模块可以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。例如在灯泡中装置Zig Bee模块,则人们要开灯,就不需要走到墙壁开关处,直接通过遥控器便可开灯。再如你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓(可以是一个小小的符合Zig Bee标准的器件),其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在,假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级,那么家里的灯光、温度、音乐和网站都将自动按照你的喜好自动设置。

(3)智能交通领域

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的Zig Bee终端设备,你就不用担心迷路。安装在汽车里的器件将告诉你,你当前所处的位置。全球定位系统(GPS)也能提供类似服务,但是这种新的分布式系统能向你提供更精确更具体的信息。使用这种系统,也可以跟踪公共交通情况,你可以适时地赶上下一班车,而不至于在车站等上数十分钟。基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他功能,例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

(4)环境控制与医疗护理领域

人类始终面临着各种威胁生命的因素,如火灾、水灾和地震等,所以,人类也一直在构建挽救生命的系统。但目前已有的许多系统实际上不是非常有效的,有些太复杂、太昂贵,难以普及;有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作;有些缺乏生命挽救系统最为关键的联网能力。由于具备连接简单器件(如传感器和激活器等)的能力,Zig Bee无线网络通信系统能监视各种事件,当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准,Zig Bee无线网络通信系统很有希望应用于上述情况。

5 与其他几种无线通信技术的比较

目前,市场上的近距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网Wi Fi和一些专用标准(如Ad hoc网等)的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域,也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准,如超宽带通信UWB和Wi Max等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较[6]:

蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头,一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域,且互通性方面也存在问题。

Wi Fi在Intel的大力支持下,借迅驰处理器迅速占领市场;采用IEEE802.11b标准,使用2.4GHz直接序列扩频,最大数据传输速率为11Mbps,并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽;采用最新的802.11g时,速率可达54Mbps,是目前应用最广的无线网络传输协议。

UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术,因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块,实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准,预期的通信距离5~10m,速率甚至可高达1Gbps,非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。

作为Wi Fi下一代技术的Wi Max,被设想成一项无线城域网接入技术,在传输距离和速度方面均胜过Wi Fi,最高接入速率为70Mbps,信号传输半径可达到50km。图2是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。

从图2中看出,主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率,新的标准还在追求更快的速率;而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺,与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中,低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活,同样具有广泛的市场。从现今的市场看,每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点,或在距离、或在成本、或在速率等方面,因此,在今后一段时间内,虽然会有一些竞争,但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。

6 结束语

本文阐述了Zig Bee技术的概念、特点、协议模型以及相关应用,并与其他一些无线通信技术如蓝牙、Wi Fi、UWB、Wi Max做了对比。无线组网通信是当今工业控制、家庭自动化、计算机应用等方面技术发展的一个热点,而低功耗、低成本的无线网络要求令Zig Bee应运而生。Zig Bee技术可以通过结合其他无线技术,实现无所不在的网络。这也显示出Zig Bee具有超强的生命力和优势,应用前景十分看好,值得广大嵌入式应用的技术人员关注。相信随着相关技术的发展和推进,Zig Bee技术一定会得到更大的应用。

7 致谢

本文研究得到了国家自然科学基金重点项目(70531020)资助,在此谨表谢意。

摘要：基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术具有低成本、近距离、低功耗的优点,正符合未来一些无线互连设备的需要。本文首先介绍了Zigbee技术的概念、特点和协议模型,在此基础上探讨了ZigBee技术的应用并与其他几种无线通信技术做了比较。

关键词：ZigBee技术,IEEE802.15.4,无线通信

参考文献

[1]林山霖.ZigBee技术发展现状.零组件杂志,2004(155).

[2]http://www.zigbee.org[EB/OL]

[3]雷震洲.面向低速率应用的全球标准ZigBee.现代电信科技,2004(12).

[4]齐丽娜,干宗良.一种新的无线技术ZigBee[J].电信快报,2004,(9):12-14.

[5]原弈,苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件,2004,21(6):89-91.

ZigBee无线通信技术研究 篇8

1 ZigBee技术特点及应用

1.1 ZigBee技术的应用

随着ZigBee规范的越来越完善,许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭安全、家庭自动化、地铁隧道安全工程、与医疗护理、检测环境、设备跟踪等等。其典型应用领域如下。

(1)数字家庭领域。ZigBee联盟认为ZigBee可以用于PC外设、消费电子设备、家庭智能控制(照明、煤气表以及报警等)、电子玩具、医疗护理(监视器和传感器)、工业控制(监视器、传感器和自动控制设备)等领域。成都无线龙已经开发出多种通信模块接传感器完成监控的方案,已经在应用领域打开一扇大门。ZigBee的目标是使家庭和楼宇实现自动化,ZigBee通过无线方式将各种电子和电气产品连接起来,只用一个遥控器就可以操纵各种家用电器,成为数字家庭的骨干技术之一,WTRS公司的分析师认为:“中国的家用自动控制系统市场正在兴起,ZigBee将在其中扮演重要角色。韩国第三大移动手持设备制造商Curitel Communications公司已经开始研制世界上第一款Zigbee手机,该手机将可通过无线的方式将家中或是办公室内的个人电脑、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了“Zigbee”技术,能够使手机用户在短距离内操纵电动开关和控制其他电子设备。

(2)工业领域。通过ZigBee网络自动收集各种信息,并将信息回馈到系统进行数据处理与分析,以利于整体信息之掌握,例如汽车的胎压监测系统,照明系统之感测,电力公司自动抄表系统等,都可由ZigBee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制的目的。韩国的NURI Telecom公司成功研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。这个系统不需要过去手工去抄电表、天然气表及水表,从而为企业节省很多人力成本。

(3)智能交通。如果汽车控制系统的胎压监测系统就是采用了ZigBee技术。在汽车的四个轮胎里面分别安装了气压感应器和ZigBee的网络终端设备。中央控制系统不断对各个终端发来的气压数据进行检测,如果其中一个轮胎气压低于正常值就发出报警的信号,从而避免了在轮胎扎破的情况下继续行驶。据统计,在中国高速公路上发生的交通事故有70%是由于爆胎引起的,而在美国这一比例则高达80%,因此胎压监测系统对于降低事故率是很有好处的。基于ZigBee技术的系统还可以开发出许多其他功能,例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

2 ZigBee协议栈结构

ZigBee栈体系结构由一组称为层的块儿组成。每个层为上层执行指定一套服务:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供所有其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为上层提供一个接口,每个SAP支持一些服务原语来完成必须的功能。ZigBee协议栈包括IEEE802.15.4和ZigBee联盟定义的两个部分。如图1所示。IEEE802.15.4标准定义了较低的两层:物理层(PHY)和媒体接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟通过提供网络层(NWK)和应用层(APL),构造这个基础。它包括应用支汇聚层(APS),ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。

3 结语

低成本、低功耗、应用简单的IEEE 802.15.4/ZigBee协议的诞生为无线传感网络及大量基于微控制的应用提供了互联互通的国际标准,从而使得无线传感网的数据采集、分析处理变得更加容易和便捷,可为推动无线传感网的应用及相关产业的发展提供一个新的契机。本文给出了一个星形网络的组网方案和相关程序测试数据,有着一定的实际应用意义。

参考文献

[1]瞿雷.刘盛德.ZigBee技术及应用[M].北京航天航空大学出版社,2007:1～1 4.

[2]刊物编辑.ZigBee基本技术问答[M].互动平台,2008,6,8.

[3]金纯,罗金秋.ZigBee技术基础及案例分析[M].国防工业出版社,2008,3,26.

[4]韩旭东,张春业.传感器无线互连标准及实现[J].电子技术应用,2004,4,30.

ZigBee协议技术及发展 篇9

互联网的发展以及物联网的提出, 使人们越来越认识到设备互联互通对于信息的采集和处理的巨大帮助。Zig Bee作为唯一支持网状自修复网络的流行标准, 受到了越来越多的青睐。

2 IEEE 802.15.4/Zig Bee技术内容及特点

目前在无线传输领域, 存在以下三种无线连接协议:蓝牙 (Bluetooth) 、Wi-Fi、Zig Bee, 其主要性能比较见表1。

3 Zig Bee对可靠性、低功耗的技术支持

3.1 Zig Bee对可靠性的支持

Zig Bee在物理层采用直序扩频序列 (directsequence spread spectrum) ;在MAC层采用ARQ, AES-128的加密算法和网络协调器缓冲暂存;在网络层采用网状网络 (Mesh) 的冗余路径;在应用支持层增加安全性这些措施来加强可靠性。

在物理层采用的直序扩频序列, 即用伪随机噪声 (PN) 脉冲序列去调制要发送的窄带信息载波信号。在2.4 GHz运用的是16准正交调制法, 即在每个符号周期, 4个信息位被用来在16个准正交伪随机噪声序列中选择其中的一个予以发送, 接下去把连续的数据符号码位的PN序列连在一起形成chip序列, 用偏移正交相移键控 (O-QPSK) 在载波上调制。由于PN序列的脉冲频率远高于符号速率, 调制的结果便实现了扩频。

扩频量与处理增益的比率有关。它影响抗干扰和抗多径时延扩展的性能。处理增益越大, 抗干扰和抗多径时延扩展的能力越强。IEEE 802.15.4的处理增益要高过IEEE 802.11b很多。频率快变就是改变频率的能力, 以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响。

实验证明IEEE 802.15.4的误码率, 特别是在信噪比为4 d B的情况下可达到10-9, 而达到同样的误码率, IEEE 802.15.1信噪比要15 d B, IEEE 802.11b要10 d B左右。

Zig Bee的介质访问层 (MAC层) 采用完整的握手协议, 对发送、接收和确认的步骤和细节都作了详尽的规定。定义的四种帧类型 (信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧) 中, 数据帧和MAC命令帧的控制段标明接收到的帧是否要确认, 若要确认并经CRC校验无差错, 接收方即刻发送确认帧。若在约定的时间内未收到, 发送方会再次自动发送;也可由接收方发重发请求。MAC子层可以通过这些手段保证可靠传输;同时, 网络协调器会将不能立即发送至目的地的数据帧暂存于缓冲存储区, 直到处于休眠的节点被唤醒。另外, MAC层采用的AES-128是按美国商务部下属的国家标准化研究所2001年的高级加密标准规范, 对该算法用128位的块长度予以参数化, 密钥长度选择为128位。

Zig Bee可以构成网状形连接的网络拓扑, 容许所发送的数据通过多个路径到达目的节点, 如果一个设备先前的传输路由出现问题, 那么完全可以形成另外的路径传送。对于用户来讲这都是透明的, 不必做任何干预。

在应用支持子层上, 从安全性角度考虑, 支持其它设备避免不可靠的通信;通过安全机制, 在MAC的安全策略之外, 还可以在应用层使用安全算法。

3.2 Zig Bee对低功耗的技术支持

为了降低功耗, 首先必须在信号发送上采取很低的系统占空比, 才能在达到很低的峰值电流的同时, 达到很低的平均功率Pavg。因为峰值电流多于跟踪符号速率而非数据速率, 为此在物理层运用高数据速率和低符号速率。解决方案是采用正交信号发送, 以稍稍损失一点带宽来恢复灵敏度及编码增益。具体地说就是, 数据速率为250 kb/s, 数据调制采用16准正交调制法, 16种符号为32-chip PN代码的伪正交集合, 而chip调制采用脉冲频率2.0 Mchip/s的O-QPSK (偏移正交相移键控) 。16准正交调制的信号发送的灵敏度在误码率高于10-4时比采用二进制的正交调制的信号发送相比要高5 d B以上。

由于IEEE 802.15.4无线网络的节点的有效周期可以设置得很短, 如果发射器的预热时间较长, 肯定会有明显的功率损失。而预热时间主要受限于信号通道建立的过渡过程时间, 特别是集成的信道有源滤波器的建立时间。Zig Bee采用直序扩频 (DSSS) 的宽带技术, 其优点在于它们所用的宽频信道滤波器本身就具有很短的建立时间, 这样就会减少预热时间, 而预热时间对于功耗有着明显的影响。正是其较大的信道间隔, 使支持DSSS芯片的频率合成器也可利用较高的频率基准, 从而使其启动和稳定的时间有相当地下降。这样一来便取得了降低预热功率损失的效果。

在Zig Bee的物理层还采取了以下降低功耗的措施:

●由于运用半正弦波形的O-QPSK调制, 所产生的恒定包络线简化了发射器的功放设计, 也就降低了有效电流;

●降低了接收器的阻塞 (blocking) 要求规格, 也就允许接收器的前端采用较低的有效功耗;

●不采用发射和接收可同时进行的双工制, 降低了峰值电流;

●规定输出功率Pout必须具备-3 d Bm的能力, 但在实际芯片设计和制造中只要保证基本的指标, 也允许更低的功率输出。

在MAC层, 设计了供选用的使用信标的超级帧结构。还针对那些非对称供电的设备 (即那些发送后便处于空闲状态与只接收不发射的简单设备) , 规定了非对称信道接入模式。在CSMA-CA低数据流量的应用场合, 采用轮询方式在可达到的频宽比上可建立较低的边界, 因而也降低了功耗。

同时由于大量的信号处理电路在接收器端, 接受器的功耗通常要多于发射器的功耗。

此外, Zig Bee早期在基于价值的路由选择算法上同时应用链接质量和路由跳数作为判据, 使端对端通信链接的质量最优化, 路由中继段数最小化。之后会把专门的功率尺度 (如节点的维持功率、节点所使用的电源类型类型、发射器的输出功率等) 纳入价值函数。

4 Zig Bee规范内容

Zig Bee联盟于2004年12月推出了Zig Bee 2004版本的规范。它包括绪言、应用层规范、网络 (层) 规范、安全性规范和一些附件, 详细介绍了Zig Bee所负责的高层应用的具体架构可参见本刊第五期“Zig Bee联盟标准化及其测试认证”。Zig Bee协议栈架构包括IEEE 802.15.4 2003版本规定的媒体访问层和物理层以及Zig Bee网络层, 每一层实现一定的功能, 层与层之间通过接口来进行交换。

应用层包括应用支持子层 (APS) , Zig Bee设备对象 (包含管理平台) 和生产商定义的应用对象。APS子层的功能包括保存绑定表, 在绑定设备间转发。ZDO负责设备在网络中的职责 (比如Zig Bee网络协调器或者终端设备) , 发现网络中的设备和决定它们所能提供的应用服务, 初始化和/或绑定请求及建立网络设备间的安全联系。APS子层通过ZDO和生产商定义的应用对象所使用的一系列服务来作为应用层和网络层的接口。这些服务通过两个入口:如果是数据则通过APSDE-SAP, 如果是控制信息则通过APSME-SAP。Zig Bee的应用框架是应用对象服务于Zig Bee设备的一个环境, 在应用框架中, 应用对象发送和接收数据通过APSDE-SAP。应用对象的控制和管理通过ZDO的公共接口实现。APSDE-SAP提供的数据服务包括数据传输的请求、确认、回应和指示原语。

网络层负责确保IEEE 802.15.4媒体访问层的正确操作和提供一个合适的连接应用层的接口。为了提供接口的功能, 从概念上网络层包含两个服务入口:数据服务和管理入口。网络层数据入口 (NLDE) 通过相应的SAP (NLDE-SAP) 来提供数据传输;网络层管理入口 (NLME) 通过NLME-SAP来提供管理服务。网络层管理入口利用网络层数据入口来完成它的管理任务, 它也保存一个管理对象的数据库。

安全方面的规范涉及Zig Bee所提供的安全性的方法, 包括密钥建立、密钥传输、框架保护和设备管理。这些服务建立了为Zig Bee设备实现安全性规则的构件。

Zig Bee在2008年批准了Zig Bee 2007版本规范, 该规范定义了Zig Bee和Zig Bee PRO的两个特性集。Zig Bee 2007版本规范构建于Zig Bee 2006版本之上, 不但提供了增强型功能, 而且在某些网络条件下还具有向后兼容性, Zig Bee和Zig Bee PRO的特征和优点见表2。

5 结语

由于Zig Bee的突出特点和Zig Bee联盟的大力推广, 目前市面上已经有多家厂商提供Zig Bee的开发支持。德州仪器公司 (TI) 提供整套的开发工具套件, 全面支持最新Zig Bee规范, 方便Zig Bee网络的评估和设计;提供从硬件芯片参考设计到完整的协议栈, 根据Profile应用区分, 既可开发符合Zig Bee标准的产品, 也可以略加改动来设计定制的应用。

Zig Bee的应用范围扩展到工业控制、消费电子、汽车自动化、农业自动化, 灯光控制和医用设备控制等。随着物联网的发展和人类社会对分布式数据的要求, 如何解决物与物之间的通讯和连接, 越来越现实的摆在眼前, Zig Bee技术作为一种针对大容量、低速率、低功耗的自组织网络, 将越来越多地受到行业的青睐。

参考文献

[1]蔡型, 张思全.短距离无线通信技术综述[J].现代电子技术, 2004 (03) :65-67, 76.

浅析ZigBee技术及其应用 篇10

1 ZigBee简介

Zig Bee是IEEE802.15.4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞, 由于蜜蜂 (bee) 是靠飞翔和“嗡嗡” (zig) 地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息, 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域, 可以嵌入各种设备。简而言之, Zig Bee就是一种便宜的, 低功耗的近距离无线组网通讯技术。

Zig Bee技术具有以下特点:

1.1 低功耗:

省电, 两节5号电池支持长达6-24个月的使用时间。

1.2 可靠:

采用了碰撞避免机制, 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙, 避免了发送数据时的竞争和冲突, 具有自动动态组网的功能, 信息在整个Zig Bee网络中通过自动路由的方式进行传输, 从而保证信息传输的可靠性。

1.3 成本低:

Zig Bee只需要80C51之类的低档处理器以及少量的软件即可实现, 无需主机平台, 降低了对通信控制器的要求, 成本不到蓝牙的十分之一。

1.4 网络容量大:

Zig Bee可采用星形、树状和网状网络拓扑结构。每个Zig Bee网络最多可支持255个节点, 而且网络协调器可以相互连接, 整个网络的节点数目十分可观, 最多可以组成有65000个节点的大网。

1.5 时延短:

针对时延敏感的应用进行了优化, 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

1.6 安全:

ZigBee提供了数据完整性检查功能, 加密算法采用通用的AES-128。

2 ZigBee技术

2.1 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, 具有物理层 (PHY) 、媒体介质访问层 (MAC) 、网络层 (NWK) 、和应用层 (APL) 。网络层和应用层的协议有Zig Bee联盟制定, IEEE802.15.4标准定义物理层和媒体介质访问层。

2.1.1 物理层 (PHY)

物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的借口, 提供物理层数据服务物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据, 物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

IEEE802.15.4工作在工业科学医疗 (ISM) 频段, 它定义了两种物理层, 即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。两种物理层都基于直接序列扩频 (DSSS) , 使用相同的物理层数据包格式, 区别在于工作频段、调制技术、扩频码片长度和传输速率。面许可证的2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s的信道, 915MHz频段有10个40kbit/s的信道, 而868MHz频段只有1个20kbit/s的信道。

物理层的功能包括:Zig Bee的激活;当前信道的能量检测;接收链路服务质量信;Zig Bee信道接入方式;信道频率选择;数据传输和接收。

2.1.2 媒体介质访问层 (MAC)

MAC层负责处理所有的物理无线信道访问, 并产生网络信号、同步信号;持PAN (个域网) 连接和分离, 提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。MAC层提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发, 后者从事MAC层的管理活动, 并维护一个信息数据库。

MAC层功能包括:网络协调器产生信标;与信标同步;支持PAN (个域网) 链路的建立和断开;为设备的安全性提供支持;信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入 (CSMA-CA) 机制;处理和维护保护时隙 (GTS) 机制;在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

2.1.3 网络层 (NWK)

Zig Bee协议栈的核心部分在网络层。网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接, 主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制, 以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。网络层实现的功能包括:网络发现;网络形成;允许设备连接;路由器初始化;设备同网络连接;直接将设备同网络连接;断开网络连接;重新复位设备;接收机同步;信息库维护。

2.1.4 应用层 (APL)

Zig Bee应用层框架包括应用支持层 (APS) 、Zig Bee设备对象 (ZDO) 和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。例如在家居照明控制灯中, 灯和遥控开关的绑定。Zig Bee设备对象 (ZDO) 的功能包括:定义设备在网络中的角色 (如Zig Bee协调器和终端设备) , 发起和响应绑定请求, 在网络设备之间建立安全机制。Zig Bee设备对象还负责发现网络中的设备, 并且决定向他们提供何种应用服务。Zig Bee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外, 一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

2.2 Zig Bee网络构建

在ZigBee网络中, 根据设备所具有的通信能力可以分为全功能器件 (FFD) 和精简功能器件 (RFD) 。FFD之间可以相互通信, 同时FFD也可以和RFD进行通信, 而RFD只能与FFD通信, 而不能与其它RFD通信。Zig Bee网络中网络协调器主要负责网络的建立及相关配置, 路由器负责寻找、建立以及修复网络报文的路由信息, 网络终端设备具有加入和日推出网络的功能。其中网络协调器和路由器是FFD, 而终端设备一般由RFD组成。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置, 一旦这些都完成后, 协调器的工作就像一个路由器或者消失。

ZigBee网络根据应用的需要可以组成星形网络、网状网络和簇状网络3中拓扑结构。如图1所示。在星型拓扑中, 网络由一个中心节点控制, 即网络协调器, 其它节点成为ZigBee末端节点, 直接与协调器通信。在簇形拓扑中, 网络协调器是“树的根部”, 路由器是“树的枝干”, 而末端节点就是“树的叶子”, 两个节点之间路由遵循树路由方式, 只能沿着树的路径进行数据传输。在网状网络中, 拓扑比较灵活, 协调器可以和路由器、终端设备之间进行通信, 路由器之间也可以进行相互通信。

对于ZigBee网络来说, 其常见的有两种拓扑结构, 即星型拓扑和点对点拓扑, 每个ZigBee网络至少需要一个全功能设备实现网络协调功能, 终端设备可以是精简功能设备用来降低系统成本。ZigBee采用自组织 (ad-hoc) 方式组网, 该架构被称为无基础构架的无线局域网, 这种架构对网络内部的设备数量不加限制, 并可随时建起无线通信链路。

3 ZigBee技术应用

3.1 ZigBee在智能家庭网络系统中的应用

ZigBee智能家庭网络系统旨在运用Zig Bee技术构建一个模拟的家居监测控制系统, 可以用若干个支持Zig Bee技术的模块安装在电视、照明设备、遥控器、门禁系统、空调系统和其他家电产品中, 通过Zig Bee收集各种信息, 传送到中央控制装置, 或通过遥控达到远程控制之目的, 使家居生活更朝向智能化、自动化、人性化, 有效增加人们居住环境的方便性与舒适度。

3.2 ZigBee病房呼叫系统

在医院, 时间就是生命, Zig Bee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。基于Zig Bee网络的病房呼叫系统由中心控制协调器、呼叫转移路由节点、床头无线呼叫终端组成。可以根据医院的实际情况, 将楼层划分为几个网络, 各楼层的病区值班中心安装网络协调器, 协调器直接与控制中心主机相连接, 由控制中心主机对呼叫系统进行统一管理。各病房的每一病床安装便携式呼叫终端, 楼层过道安放路由器节点, 从而实现呼叫求救功能, 医务人员可以迅速的进行救助或通知最近的医务人员前去救助。

3.3 智能建筑领域

在建筑智能化领域中, 利用Zig Bee网络技术, 可以监测到建筑物内可能发生的火灾隐患、煤气泄漏并及早提供相关信息;在大的酒店里, 根据人员分布情况自动控制中央空调的温度, 实现能源的节约。在车站, 持有Zig Bee终端的乘客们可以随时得到导航信息, 比如进站口的位置, 车次到开的变动等。

4 结束语

本文介绍了Zig Bee技术的特点, 协议栈各层能够实现的功能及网络构建方式, 并对Zig Bee技术的应用做了简单介绍。作为一种新兴的物联网技术, Zig Bee还在不断地完善, 它所具备的技术优势决定了其广阔的应用前景。相信在不久的将来, Zig Bee技术必将会得到广泛应用, 给我们的生活带来更大的便捷。

参考文献

[1]候洪丽, 张霄霞, 王福明.ZigBee无线传输技术综述[J].山西电子技术, 2011 (4) .

[2]高雨明.浅析ZigBee无线传输技术及其应用[J].信息与电脑, 2010, 8.

[3]徐丽萍.ZigBee技术浅析[J].南京工业职业技术学院学报, 2011, 12, 11 (4)

ZigBee无线技术 篇11

关键词 无线传感器网络 硬件节点 CC2420 MSP430

中图分类号：TP212 文献标识码：A

0 引言

物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。物联网是所有物品通过射频识别等信息传感设备实现任何时间、任何地点及任何物体的连结，达到智能化识别和管理；物联网整合了传感器技术、通信技术和信息处理等技术，主要通过无线传感、射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位、传感器等技术，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络，从而给物体赋予智能，实现了物与物、人与物的互联，实现了物理世界与信息网络的无缝连接，物联网是传感网、通信网和应用系统的有机组合。无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Network）作为物联网的组成部分，综合了嵌入式技术、传感器技术、短程无线通信技术，是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。本文使用模块化设计思路，实现了一个无线传感器网络。

1 Zigbee无线网络协议

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，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

每个Zigbee 网络节点不仅本身可以对对象监控，例如连接传感器直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

ZigBee协议在无线传感器网络应用中的具有以下特点和优势：

低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。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，这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

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，而且网络组成灵活。

可靠性高：采取了碰撞避免策略（CSMA-CA），同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了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进行重发。

安全性高：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 无线传感器网络

无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能，节点中的电源模块还负责节点的驱动，是决定网络生存期的关键因素。

2.1 网络结构

一般来说，一个无线传感器网络包括传感器节点以及传感器网络网关节点，如图1所示。其中，传感器节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后台管理软件和传感器网络网关节点的控制下采集数据，并将数据经过多跳路由传输到传感器网络网关节点；传感器网络网关汇聚节点是网络的中心，具有协调器和网关的作用，负责网络的配置、管理和数据的汇集，并负责与用户PC机后台管理软件的通信。无线传感器网络通常具有两种应用模式：主动轮询模式、被动模式。主动模式要求网关节点对各个传感器节点进行主动的轮询以获得消息；而被动模式则要求在某个传感器节点事件发生时，网关节点能作出及时的响应。各个传感器节点得到的数据还能进行组合，这也很大地提高了传感器网络的效率。当然这也要求传感器节点要具有一定的计算能力。

2.2 系统硬件设计

在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且能量常常能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。

nlc202309040638

传感器网络节点的硬件一般包括处理单元、无线传输单元、传感采集单元、电源供应单元和其他扩展单元，如图2所示。其中，处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元负责监测区域内信息的采集；无线传输单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电。传感器网络网关节点功能更多，除包含上述功能单元以外，还包含与后台监控通信的接口单元。

Zigbee网络节点设计要求如下：

（1）可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4GHZ频段是IEEE 502.15.4定义的工作在ISM频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。

（2）体积小，成本低，易于大规模布建。Zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的Zigbee网络节点有较高的性价比。

（3）可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，Zigbee网络是工作在2.4GHZ ISM频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。

（4）通用性。布建Zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是I/O操作和A/D操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。

（5）低功耗，支持电池供电。低功耗是Zigbee的重要特征，支持休眠—唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的Zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。

Zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。

2.2.1 芯片选型

Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zigbee2007协议栈的正常运行。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

设计选用TI公司最新Zigbee芯片CC2530F256，工作在2.4ghz频段，是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC），它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点，CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其它强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

2.2.2 硬件整体设计

在网络节点硬件平台中，CC2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分：通过A/D口控制传感器模块进行数据采集；控制无线rf模块完成数据收发；通过I/O口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过I/O口与微处理器相连，通过RS232接口可实现网络节点与PC机的通信。

由于CC2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32MHZ无源晶振以及32.768KHZ时钟晶振；无线RF模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线。

2.2.3 PCB设计

CC2530的Zigbee网络节点PCB设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用TI标准接口形式，结构稳固可靠。由于CC2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路，因此PCB的设计要完全适合无线传感器网络应用。PCB板的尺寸为长宽高25mm€？1mm€？.6mm，接口为11€？双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为TI的标准接口。

经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个RS232接口。

3 结束语

本文介绍了一个无线传感器网络的设计，具有低功耗，软件易开发等优点。随着社会和科学技术的日益发展，无线传感器网络将得到日益广泛的应用。目前无线传感器网络在能耗、节点规模方面还有不足，随着这些问题的解决，无线传感器网络在环境监测、智能建筑以及军事等领域必然会得到越来与广泛的应用。

参考文献

[1] 孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] 沈建华，杨艳琴.MSP430系列超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3] 周挺挺，沙超，王汝传.基于CC2420的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师，2007，33（4）：67-70.

[4] 孙维明，石江宏，陈岳林.可编程RF收发器CC1100的原理及开发[J].国外电子元器件，2007（9）：40-42.

ZigBee无线技术 篇12

Zig Bee是一种低速短距离传输的无线网络协议。Zig Bee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。Zig Bee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。Zig Bee网络中设备的可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(End Device) 等三种角色。Zig Bee译为“紫蜂”,它与蓝牙相类似,是一种新型的短距离无线通讯技术,用于传感控制应用(sensor and control)。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Zig Zag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。

1.什么是Zig Bee

Zig Bee是一种介于无线和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离技术连接,它依据80.2.15.4 标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感只需要很少的能量,以接力的方式通过无线点播将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。

随着无线通信技术的日渐成熟,21 世纪正在从互联网时代进入无线互联时代。新兴的无线通信技术,例如Wi-Fi,蓝牙,超声波,Zig Bee等,在物联网领域和“无线城市”的方方面面得到广泛应用。Zig Bee以其低功耗,成本小,网络容量大,响应快等优越性在无线电通信领域迅速兴起,并且这种技术适合承载数据流量较小的业务,这些都使得Zig Bee越来越受人们的青睐。基于Zig Bee无线网络的定位服务在资产跟踪阶段,社区安防,物流管理,人员紧急救护等领域显示了广泛的应用前景。

2.Zig Bee的技术特点

Zig Bee是一种无线连接,可工作在2.4GHz( 全球流行)、868MHz( 欧洲流行) 和915 MHz( 美国流行)3个频段上, 分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内, 但可以继续增加。作为一种无线通信技术,Zig Bee具有如下特点:

(1) 低功耗: 由于Zig Bee的传输速率低, 发射功率仅为1m W, 而且采用了休眠模式,功耗低, 因此Zig Bee设备非常省电。据估算,Zig Bee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,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低: Zig Bee模块的初始成本在6 美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5 美元, 并且Zig Bee协议是免专利费的。低成本对于Zig Bee也是一个关键的因素。

(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此Zig Bee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制( 如工业控制场合等) 应用。

(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, 一个区域内可以同时存在最多100 个Zig Bee网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 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, 避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了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进行重发。

(6) 安全: Zig Bee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能, 支持鉴权和认证, 采用了AES-128 的加密算法, 各个应用可以灵活确定其安全属性。

3.Zig Bee可以应用在哪些方面

Zig Bee技术目标就是正对工业,家庭自动化,遥测遥控,汽车自动化,农业自动化和医疗护理等。例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

通常符合如下条件之一的应用,就可以考虑采用Zig Bee技术做无线传输:

需要数据采集或监控的网点多;

需求传输的数据量不大,而要求设备成本低;

要求数据传输可性高,安全性高;

设备体积很小,不方便放置较大的充电电池或者电源模块;

电池供电;

地形复杂,监测点多,需要较大的网络覆盖;

现有移动网络的覆盖盲区;

使用现存移动网络进行低数据流量传输的遥测遥控系统;

使用GPS效果差,或者成本太高的局部区域移送目标的定位应用。

4. Zig Bee的发展前景

随着我国物联网正进入发展的快车道,Zig Bee也正逐步被国内越来越多的用户接受,国内已不少人开始关注Zig Bee这门新技术,而且也有不少单位开始涉足Zig Bee技术的开发工作。然而,由于Zig Bee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发和网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而要深入理解这个来自国外的新技术,再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套队伍,本身就不是一件容易的事情,因而到目前为止,国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司,真正将Zig Bee技术开发成产品,并成功的用于解决几个问题而外,尚未见到其他报道。

Zig Bee并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争,它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场,它有着广阔的应用前景。Zig Bee联盟预言在未来的四到五年,每个家庭将拥有50 个Zig Bee器件,最后将达到每个家庭150 个。据估计,到2007 年,Zig Bee市场价值将达到数亿美元。

4.结束语

Zig Bee技术和RFID技术在2004 年就被列为当今世界反应最快,市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。在不久的将来zigbee技术都将是飞速发展的时期。

摘要：zigbee作为低成本,低功耗的近距离无线组网通讯技术,由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能,因此在物联网领域具有非常强的可应用性。

关键词：zigbee,无线网络,物联网,定位服务,IEEE802.15.4

参考文献

[1]实现无线嵌入式网络[N]网络世界2004.

[2]吕晓峰无线传感器的网络技术应用分析[J]价值工程2011.