ZigBee通信网络

ZigBee通信网络（通用12篇）

ZigBee通信网络 篇1

1 引言

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.

[6]赵景宏,李英凡,许纯信.ZigBee技术简介[J].电力通信系统,2006(165).

ZigBee通信网络 篇2

定位数据在许多应用中可以显著提升所交换信息的价值。对于病患监控、资产追踪、库存控制、保全、仓储、制造物流以及对于高度敏感的服务与计费等相关应用而言，定位功能可以说是驱动了无线传感器网络的发展。节点或传感器位置信息也有助于无线网络的传递及调整。例如，无线节点可以使用全球定位系统(GPS)之类的现有系统取得位置信息。然而，GPS型系统可能相当昂贵，而且对于低成本且大范围的简易网络应用而言，也可能过于耗电且复杂。此外，GPS可以在室外环境有效又精确地发挥定位功能，但在室内则未必如此。

在许多无线个人局域网络(WPAN)应用中，针对具备定位功能的网络来说，其吸引力在于低成本的传感器装置，以及以低功耗自动运作达到较长的设备使用寿命。由于无线ZigBee传感器网络具有多样性，而且预期未来会相当普遍，因此区域定位很可能成为这类无线系统中最令人兴奋的特色之一。其中的概念是，透过简易且符合成本效益的方式，在大量的 无线ZigBee网络加入定位功能，即将定位功能加入传感器节点硅芯片装置中，这只会稍微提高复杂程度和成本。若将此类位置模块整合于芯片，并且运用无线信号处理过程中既有的信号指示器估计位置，例如接收信号强度指针(RSSI)，即可将增加的尺寸大小与功耗以及位置估计工作的复杂程度降至最低。无线射频定位是相当繁复的过程。透过分布式方法(算法)，可以将整个过程分成多个可管理的工作项目，这不仅能够使节点所需的资源量相对减轻，且相较于集中式的方法也能够明显减少位置相关的网络流量。

内建定位引擎的ZigBee SoC

对于大多数ZigBee型无线应用而言，若要使应用系统的成本及设计复杂程度降低，却又不减损IEEE 802.15.4/无线Zigbee网络技术的功能，具备最优设计的系统单芯片装置是重要关键。真正实行系统单芯片解决方案，也就是将无线射频收发器、数据处理单元、内存及使用者应用功能等所有的运作功能，整合于一个硅芯片，即可达到高效能、低成本及快速上市等优点。低功耗之所以能够发挥高效能，是因为芯片内建专门功能紧密交互作用，使得耗用的资源大幅降低。透过最低程度的系统物料清单 (BOM)、较小的体积尺寸与较少的组件、较简易的组装与测试，以及简单且可靠的设计，其制造成本得以降低并能加速上市时程。

图1是市售硅芯片解决方案中具有代表性的CC2431，这是一款真正的系统单芯片CMOS器件，不仅能够发挥高效能，而且能够满足以2.4GHz ISM频带运作的IEEE 802.15.4/ZigBee无线标准对于低成本及低功耗的需求。由于2.4GHz ISM频带具备最大频宽且全球通用，能够促进全球市场的发展及应用设计的弹性，IEEE 802.15.4标准的2.4GHz PHY因而具有相当大的潜力，

CC2431将高效能2.4GHz直接序列展频(DSSS)无线射频收发器结合广受业界肯定的精巧型高效率8051微控制器、8KB RAM、128KB嵌入式闪存，以及其他实用的支持功能。其中一项是强大的RSSI定位引擎，适用于低功耗ZigBee无线传感器网络应用，例如，资产追踪、病患监控、库存控制、保全及试行网络。芯片内建定位引擎的一项主要功能是分布算法，例如，在各个节点进行位置计算。由于过程中只传输计算的位置，而非进行计算所使用的数据，因此在节点进行位置计算能够减少集中式运算法会出现的网络流量及通信延迟。

图1 具备定位功能的ZigBee SoC装置

分布式定位功能(Distributed Localization)

CC2431的定位引擎是数字硬件区块，能够使无线节点在IEEE 802.15.4或无线ZigBee网络中以迅速有效的方式决定自身的平面位置坐标。利用相同引擎的多个参照节点或其他动态邻近节点所接收到的信号值，可以统计、演算与估计最可能的位置，以完成无线节点的定位。

定位引擎模块的设计使其便于使用及与芯片内建的微控制器接合。这个独立模块的功耗相当低并且运作快速，因此能够持续使用，完全不会耗用装置的运算资源。

在网络中，已知位置的节点称为参照节点，位置未知而需要计算的节点则称为待测节点(blind node)。根据距离最近的参照节点所收到的信息，CC2431能够运用分布式定位功能得知待测节点的位置。

其中的网络流量仅局限于(待测)节点的通信范围内所涵盖的节点，而不会扩及到可能相距甚远的中央节点。此分布式方法能够处理相同网络的大量待测节点，而集中式方法的网络流量则会因为待测节点过多而急遽增加。在参照节点与待测节点间交换的必要信息为参照节点的X与Y坐标。参照节点接收到的信息中内含所测得的RSSI值，定位引擎会根据参照(X，Y)坐标以及此RSSI值，计算出自身的(X，Y)坐标。

两个无线射频之间的RSSI值深受环境(变化)的影响，为了补足这个变动，CC2431的定位引擎会收集3～16个参照节点的数据，以用于计算位置。如果接收到的数据来自16个以上的节点，则会将接收的参照节点位置加以排序，并使用其中16个最强的参照RSSI值。

无线ZigBee网络使用CC2431进行的实际室内测量如图2所示。

图2 CC2431的分布式定位

结论

低功耗无线网络的应用除了具备可观的商机，还能够提升日常生活的安全性、舒适性及效率。采用高稳定IEEE 802.15.4标准的ZigBee具有技术质量与业界支持，能够促进无线传感器解决方案的普及。

ZigBee通信网络 篇3

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

ZigBee网络安全性分析 篇4

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[1,2,3],工作在2.4 GHz的ISM频段上,传输速率为20 kb/s-250 kb/s,传输距离为10 m-75m。Zigbee网络可由多达65 000个无线数传模块组成,在整个网络范围内,它们可以相互通信,也可与现有的其它各种网络连接,范围最大达几公里[2,3],主要适合于工业控制、传感和远程控制、智能建筑等领域。

2. Zig Bee网络的安全架构

Zig Bee标准建立在IEEE 802.15.4标准基础上,包含物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、网络层、应用层,并定义了安全服务提供机制。物理层、媒体访问控制层则由IEEE 802.15.4标准定义。Zig Bee安全体系结构使用IEEE802.15.4的安全服务,利用这些安全服务对传输的数据进行加密处理,并提供对接入网络的设备的身份认证、密钥管理等功能。Zig Bee联盟定义的NWK、APS都包含该安全体系,他们采用128位的AES加密,CCM*模式,以及相应的密钥机制保证Zig Bee网络的安全性[2,3]。Zig Bee网络的安全架构如图1所示。

3. ZigBee网络安全分析

3.1 802.15.4安全性分析

IEEE802.15.4的安全机制是在MAC层实施的,应用通过在协议栈中设置恰当的参数表明采用了何种安全级,如果没有设置参数,那么默认没有采用安全措施。规范没有考虑确认包的安全问题。

IEEE 802.15.4定义了八种安全集,应用可以根据需要选择安全集中的任何一种,每个安全集提供不同类型的安全属性和安全保证,如表1所示。这些安全集可分为以下几类:没有安全机制,加密(AES-CTR)、认证(AES-CBC-MAC)、加密及认证(AES-CCM)。其中根据MAC的长度不同,认证、加密及认证这两种安全集又可进一步细分为不同的子安全集,MAC可以为4/8/16字节长。MAC越长,攻击者成功伪造MAC的可能性就越小,如对于一个8字节的MAC,攻击者通过暴力攻击方式成功伪造MAC的概率为2-64。规范并不要求设计者要实现所有的安全集,而只要支持Null和AES-CCM-64两种安全集,其它类型的安全集是可选的。

3.2 CCM*分析

ZigBee的NWK层的帧保护机制使用高级加密标准AES-128,CCM*安全模式。AES(Advanced Encryption Standard)是美国联邦政府采用的一种高级加密标准。ZigBee采用AES-128(密钥和数据块长度均为128位)的CCM*加密模式。CCM*加密模式是CCM(Counter With Cipher Block Chainingmessage Authentication Code)加密模式的扩展,包含CCM加密模式,同时又可单独使用CTR模式(Counter Mode)和CBC-MAC模式(Cipher Block Chaining Message Authentication Code)。

3.3 ZigBee网络密钥管理

(1)密钥层次结构

ZigBee技术在数据加密过程中,可以使用三种基本密钥:主密钥(MK)、链接密钥(LK)和网络密钥(NK)[3,4]。主密钥可以在设备制造时安装,也可以通过信任中心设置,或者是基于用户访问的数据,例如,个人识别码PIN、口令和密码等。主密钥是两个设备长期安全通信的基础,也可以作为一般的链接密钥使用。所以,必须维护主密钥的保密性和正确性。当在网络传输过程中,采用主密钥可以阻止窃听。链接密钥是在一个PAN网络中被两个设备共享的,它可以通过主密钥建立,也可以在设备制造时安装。网络密钥可以通过信任中心设置,也可以在设备制造时安装。它可应用在数据链路层、网络层和应用层。链接密钥和网络密钥不断地进行周期性的更新。当两个设备都拥有这两种密钥时,采用链接密钥进行通信。虽然存储网络密钥的开销小,但它降低了系统的安全性,因为网络密钥被多个设备所共享,所以它不能阻止内部的攻击。图2给出了ZigBee网络不同密钥的使用情况。

(2)信任中心(TC)

ZigBee安全引入了“信任中心”(Trust Center)的概念,信任中心允许设备进入网络,分配密钥和在设备间使能端到端的安全。信任中心把Zig Bee网络的安全分为两种模式:高安全模式(HS)也称商业模式(commercial)和标准模式(SS)也称居住模式(residential)。高安全模式下,信任中心维护设备列表,主密钥,链接密钥,需要控制的网络密钥,执行网络密钥更新和网络准入的政策。在此模式下,信任中心对内存的需求随着网络设备数量的增多而增加。标准模式被设计用于低安全的和居住有关的应用。在这种模式下,信任中心维护网络密钥和控制网络准入的政策,信任中心对内内存的需求不随着网络设备数量的增多而增加。在HS模式下,SKKE协议和MEA协议是强制使用的[5]。

4. ZigBee网络的安全实现

4.1 安全实现过程

ZigBee网络的安全实现过程包括加入安全的网络、认证、网络密钥的更新、端到端应用密钥的建立以及设备离开网络。图3表示了ZigBee网络的安全实现过程。图3中箭头表示过程,方框表示ZigBee设备的状态。端到端的密钥建立仅在高安全的商业模式下有效。

4.2 SKKE协议

SKKE(Symmetric-Key Key Establishment)协议的详细描述如表2所示。发起设备U和应答设备V之间使用共享MK建立一个LK。发起设备负责发送SKKE-1和SKKE-3,应答设备负责发送SKKE-2和SKKE-4。SKKE-1的数据域是由发起设备生成的EQU,SKKE-2的数据域是由应答设备生成的EQV,SKKE-3的数据域是由发起设备生成的Mac Tag2,SKKE-4的数据域是由发起设备生成的Mac Tag1。这里的设备地址是64位,kdf是密钥导出函数,它包括两个参数:共享位串和将要生成的密钥的长度。当验证收到正确的值后,设备U和V使用他们计算的值Key Data作为新的LK。H表示哈希函数,MAC表示HMAC函数(Hash Message Authentication Code)。

4.3 MEA协议

MEA(Mutual Entity Authentication)协议的详细描述如表3所示。发起设备和应答设备之间基于NK相互认证,即使用基于NK的随机数进行认证。发起设备负责发送MEA-1和MEA-3,应答设备负责发送MEA-2和MEA-4。OFC表示设备的离任的帧计数器,MAC表示HMAC函数。

5. 结束语

ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,是无线个域网不可缺少的组成部分。本文对ZigBee标准安全性分析,了解ZigBee安全机制和安全性能,可促进ZigBee标准不断发展,满足人们日益增长的安全性需求。

摘要：ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,是一种无线个域网。介绍了ZigBee网络的安全机制,描述了ZigBee的信任中心和安全密钥,详细分析了ZigBee网路的安全建立过程,以及密钥建立协议和认证协议:SKKE和MEA协议。

关键词：ZibBee,安全性,TC,Key

参考文献

[1]IEEE Std.802.15.4-2003,Wireless Medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs),IEEE,2003.

[2]ZigBee Specification,ZigBee Alliance,r13,October2006.

[3]ZigBee Specification,ZigBee Alliance,r17,January2008.

[4]Ender Y/ksel,Hanne Riis Nielson,Flemming Nielson.Zig-Bee-2007Security Essentials,2007.

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通信网络 篇6

【关键词】 无线传感器网络 ZigBee 选择性组网

一、背景

无线传感器网络是目前IT行业研究的热门课题，以无线传感器网络技术为核心的物联网，市场规模巨大，应用环境多种多样。在实际生活中无线传感器网络的广泛应用，尤其是其在智能家居、环境监测、智能交通和城市数字化建设等领域的实际的和潜在的应用价值，使得许多科研机构投入了大量的物力和人力，促进了这种技术的快速发展。采用ZigBee 技术来组建无线传感器网络，具有功耗低、自愈能力和自我组织功能，实时采集监测所需的各种数据信息，为获取监测对象信息提供很好的平台。当无线传感器网络在同一区域内若存在多个网络时，协调器无法建立有特定标志的网络，终端节点也无法有选择性的加入特定网络，很可能造成组网混乱，为此有必要研究并设计一套有选择性的组网系统，实现无线传感器网络的选择性组网功能。

二、ZigBee关键技术分析

2.1 无线通信技术分析

目前常用的近距离无线通信技术有蓝牙、Wi-Fi、UWB以及 ZigBee等。ZigBee技术的传输数据速率通常在20kbps-250kbps之间，传输距离通常在10米-100米之间，具有低功耗、低成本、网络容量大等优点，主要用于实现无线传感器网络中通信功能。

（1）ZigBee 技术简介

ZigBee通信频段和信道分析。IEEE 802.15.4规定了物理层的868MHz 、915MHz、2.4GHz 3个频段，规定了27个信道，各频段都免执照使用，三个频段的数据传输速率、信道个数、使用区域和调制解调方式各不相同。其中2.4GHz频段是全球通用频段，传输速率250 kbps，有信道16个，调制解调方式采用直接序列扩频和偏移正交相移键控，其信道的标准频率是通过公式Fc=2045NHz+5（k-11）MHz，（k= 11，12，13 26）进行计算。

ZigBee协议栈分析。ZigBee 协议栈分主要分为四层：物理层、媒体访问控制子层、网络层和应用层。每一层的除了负责完成本层协议的任务，同时为上一层提供服务。

（2）网络拓扑结构分析

网络设备。在无线传感器网络中网络设备主要包括：协调器、路由器和终端三种设备。协调器主要功能是建立一个网络号唯一的网络。路由器主要功能是对数据和命令进行路由的选择。终端节点主要功能是接收命令或将采集的数据信息上传，只需要加入已建成的网络即可，它本身不具有路由和网络维护功能。

拓扑结构。无线传感器网络中常用的拓扑结构有三种：星型网、树型网和网状网。星型网络呈现出一个辐射状系统，协调器处于网络中心。星型网的优点是：结构简单，组网方便。树型网的拓扑复杂度介于网状网和星型网之间。网状网实现了网络的自愈、多跳和自组织的功能，但其协议复杂，对硬件要求高。本系统选择采用星型网络拓扑来搭建网络。

2.2无线通信芯片选型

目前世界上有很多生产ZigBee无线芯片的制造公司，通过对市场上比较主流的四家公司的芯片在接收灵敏度、最大发射功率等方面进行对比分析，可以看出CC2530芯片能够满足实验环境的需要，并且芯片功耗较小，它的这些性能与其他制造公司的芯片相比，具有很大的优势。因此本系统选择TI 公司的CC2530芯片。

2.3 CC2530常用功能

电源管理。终端节点在数据发送和数据接收，以及空闲状态时的能耗较高，而在休眠时的能耗较低。由于数据发送和数据接收是不可避免的，所以在空闲时若终端节点能进入睡眠状态就可以很好的降低功耗。

时钟管理。CC2530芯片内部有一个主时钟源，主时钟源既可以采用片内的16MHz RC振荡器，也可采用外部的32MHz晶体振荡器。由于本系统主要涉及RF收发功能，而内部6MHz RC振荡器虽然耗电量小，但是不能用于RF收发功能，所以本系统采用外部32MHz晶体振荡器作为主时钟源。

定时器。由CC2530使用手册可知，它有4个通用定时器、1个睡眠定时器和1个看门狗定时器。通用定时器T1/T2/T3/T4。其中T2定时器被系统使用，用户不能使用，可供用户的定时器是T1/T3/T4，定时器的定时功能都基于计数器建立。

中断处理。CC2530有18个中断源，常用的有Timer1中断T1、睡眠定时器（Sleep Timer）中断ST、看门狗定时器（Watchdog Timer）中断WDT、RF通用中断RF和串口接收中断USART0。

存储器管理。CC2530芯片里有两种类型的物理存储设备：SRAM和FLASH，映射为四种不同的存储空间，CODE存储空间、DATA存储空间、 XDATA 存储空间、SFR存储空间。本系统使用的CC2530芯片型号是F256，它共分为8个bank。

三、选择性组网设计与实现

在本文中，选择性组网是指定的节点只能加入指定的协调器网络。选择性通信协议是指为实现选择性组网而定义的一套含有标志字段的通信协议。在选择性通信协议中有网络标志字段，它是网络的标志属性，能够区别不同类型的网络类别。当传感器节点在寻找网络的时候，依据网络标志段有选择的加入网络，从而实现有选择性的组网。

3.1 协调器建立网络

协调器建立网络过程是：（1）硬件初始化。（2）协调器确定网络号。（3）广播网络标志帧。（4）等待终端节点加入。协调器上电初始化设备后，搜索信道n 秒，若是周围不存在网络，则取出本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号；若周围存在网络，且是不同类型网络，则用本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号，若是同类型的网络，并且网络号和本协调器物理地址后四位不相同时，用本协调器的物理地址后四位作为本网络的网络号，若相同，则取最大网络号加1作为本网络的网络号。协调器不间断的向外广播网络标志帧，同时监听是否有终端节点入网申请，若有则判断帧的标志段，若是同类型网络，则允许入网，分配网络地址，回送确认帧，保存节点信息至上位机，若不是，则不予处理。协调器建立网络流程如下图所示。

其中，FCF为帧控制域字段，长度为2字节。PANID为网络号字段，长度为1字节；Broad_addr为广播地址，长度为2字节，值为十六进制FFFF；Sour_addr为源地址，即协调器的网络地址，长度为2字节，值为十六进制0000；Flag为标志字段，长度为10字节，是网络的特定标志。

3.2 协调器工作阶段

协调器在工作阶段有三种功能，一是接收网络中节点数据，二是处理新节点的加入，三是不间断广播网络标志帧。（1）协调器接收数据。协调器收到数据帧后，判断帧中网络号是否与自己网络号相同，若相同，回送数据确认帧，并取出帧中数据字段，及节点短地址，组织数据包，传送给上位机。否则，不予处理。（2）协调器处理新节点加入。协调器在接收网络节点数据的同时，可能有新的节点申请加入网络。收到节点入网申请帧后，判断帧中是否是同类型网络，若是同类型网络，则分配网络地址，回送确认帧，保存节点信息至上位机。若不是，则不予处理。（3）广播网络标志帧。协调器在接收网络节点数据、处理新节点加入的同时，还不间断的广播网络标志帧。

3.3 终端节点加入网络

终端节点加入网络过程是：（1）硬件初始化。（2）搜索信道找出最近同类型网络。初始化后，在定长时间段内（搜索信道时间），终端节点搜索信道，接收分析数据包，判断是否为同类型网络，若是计算出网络信号强度，若不是则不予处理，搜索信道时间结束，取出网络信号强度最大的网络号，设置为自己的网络号，并申请加入。（3）申请加入网络。确定了要加入的网络后，向该网络的协调器发送入网申请。（4）等待确认。终端节点发出入网申请后，等待协调器的响应帧，收到响应后，则判断帧中的特定域值是否是自己的MAC地址，若是则取出帧中特定字段值作为本节点的网络短地址；若不是，则重发入网申请，直至入网成功。终端节点入网流程图如下图所示。

3.4 终端节点工作阶段

当终端节点加入网络成功后，即进入工作阶段。当终端节点进入工作阶段后，首先进行数据的采集发送任务，完成后，进入低功耗休眠模式，当休眠预设时间间隔到时，睡眠定时器唤醒终端节点，进行相应的数据采集发送任务，当收到协调器回应的数据确认帧后，则说明此次任务完成，进入到低功耗休眠模式；若收不协调器回应的数据确认帧，需继续数据的采集发送任务，当重发次数大于预设的阈值时，则节点重启系统，重新加入网络；若没有大于预设阈值时，需重新采集发送数据，至到收到协调器的数据确认帧为止。

四、系统测试分析

为了验证本系统的无线传感器网络系统的标志性信息的有效性和系统传输性能，对本网络系统进行一些性能测试，主要是对选择性组网性能和系统传输性能进行测试，其中选择性组网性能测试包括同类型网络组网测试、不同类型网络组网测试、混合类型网络组网测试等，测试表明同一区域内特定节点可以正确加入特定网络。在系统传输性能上，主要包括丢包率测试、入网延迟测试、节点能耗测试、网络稳定性等测试，测试表明，在丢包率、入网延迟、节点能耗上，本系统的选择性组网能够顺利实现，但在网络稳定性上有待改进。

五、小结

通过研究分析ZigBee协议栈和无线传感器网络技术，翻阅参考相应的CC2530芯片使用手册，利用IAR 开发环境，本文研究设计了一种选择性组网无线传感器网络系统。此系统是基于 ZigBee 技术，选用CC2530 芯片设计软硬件的星型网络。在系统运行中，终端节点负责定时采集和发送数据，并通过无线网络把采集的数据传送给协调器，协调器负责把各终端节点传送来的数据处理后通过串口传送给上位机。通过测试，明本系统能够实现可靠的选择性网，达到了研究和设计的目标。

参 考 文 献

[1]翟雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[2]王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社，2012.

ZigBee网络自剪裁路由算法 篇7

Zig Bee网络是近几年出现的一种新兴网络技术,因其低功耗、低成本、低复杂度、短时延、大网络容量及高节点集成度等特点,被广泛应用于短距离低速率的数据传输场景中。然而由于Zig Bee网络中节点的能量资源有限,故Zig Bee网络路由算法必须以能量有效性为首要的设计要素。经典AODVjr算法通过全网广播RREQ消息而获得发送数据的最短路径,节点因大量广播RREQ消息,而耗能迅速,同时网络堵塞的可能性也大大增加[1]。

如何优化Zig Bee路由算法、降低网络能量消耗一直是各国学者研究关注的热点[2,3,4,5]。文献[2]提出通过控制RREQ消息洪泛范围,以降低网络整体功耗。文献[3]提出利用分 层拓扑信息 来减少AODVjr算法中的路由开销,该算法为了平衡网络能耗,将节点剩余能量作为路由度量。文献[4]提出定向转发RREQ消息,该算法能 有效减少 冗余RREQ消息的转发,从而减少节点功耗。文献[5]提出Mesh拓扑混合路由优化算法,该算法在邻居表基础上,控制RREQ消息的转发范围和转发方向, 并在选择路径时避开剩余能量较少的节点。上述算法在一定程度上限制RREQ消息的转发次数,降低了网络能量消耗,但都以节点已知其他节点位置信息为前提,而这在实际中很难实现。

针对Zig Bee网络路由算法存在问题,在AODVjr算法基础上,结合节点邻居表,提出通过筛选RREQ消息的转发节点,能有效减少RREQ消息的转发次数,从而有效降低网络整体功耗的路由算法。

1 Zig Bee网络

1. 1地址分配方式

Zig Bee网络节点类型分为协调器节点 ( Zig Bee Coordinator,ZC) 、路由器节点( Zig Bee Router,ZR) 和终端节点( Zig Bee End Device,ZED) 3种。每一个无线个域网( WPAN) 中仅仅包含一个ZC节点,它负责初始化网络和管理网络结构[6]。

Zig Bee网络有2种地址分配方式,即分布式地址分配机制( Distributed Address Assignment Mechanism,DAAM ) 和随机地 址分配机 制 ( Stochastic Address Assignment Mechanism,SAAM)[7]。树型网络拓扑中节点默认采用DAAM获得唯一的16 bit网络地址。ZC节点首先进行参数设置: Cm是网络中任一父节点最大子节点数目; Lm是网络最大深度; Rm是网络中任一父节点最大路由子节点数目。则网络深度为d的父节点为其子节点分配网络地址时,通过式( 1) 计算地址偏移量Cskip( d)[8]。网络中,只有Cskip( d) > 0的节点才具有为其子节点分配网络地址,供其加入网络的能力。

Zig Bee网络组网时,优先让ZR节点加入网络, 这样能减少ZR节点向周围节点广播拓扑变化产生的广播开销。具体的地址分配机制[9]如下:

1 ZC节点先将自身的网络地址和网络深度分别设置为0;

2对于网络深度为d,网络地址为A的父节点,其第n个ZC子节点对应的网络地址如式( 2) 所示;

3其第m个ZED子节点对应的网络地址如式( 3) 所示:

由上可知,Zig Bee网络中任 意节点可 根据DAAM计算得到自身树邻居节点( 即父节点和子节点) 的地址。

1. 2 AODVjr路由算法

Zig Bee网络中基 于路由请 求的路由 算法AODVjr是在AODV算法基础 上做出的 改进[10]。 AODVjr算法中一旦节点有路由需求,节点则会以洪泛方式向邻居节点广播RREQ消息,中间节点会向邻居节点转发接收到的RREQ消息。目的节点一旦接收到RREQ消息,将沿RREQ消息的反向转发路径发送路由回复( Route Reply,RREP) 消息,直到源节点接收到RREP消息后,路由建立完成。通过AODVjr算法可以得到源节点与目的节点之间的最短路径,但此算法在寻路过程中需转发大量RREQ消息,这就增加了全网的路由控制开销,导致网络节点因大量转发RREQ消息而能量消耗过快,造成网络分割。所以,如何降低AODVjr算法中RREQ消息的转发次数,从而降低网络控制开销和节点能量消耗一直是各国学者研究的重点。

2自剪裁广播算法

2. 1假设与定义

为了更好地描述算法,在表1中给出如下定义, 这里的A代表的是任意节点或节点集合。

由于Zig Bee网络的资源限制,进行如下假设:

1任意节点之间的距离和具体位置不可知;

2任意节点的发送功率固定且相同;

3网络拓扑不一定是以ZC节点为圆心的圆, 但节点间邻居关系是对称的: 若节点i是节点j的邻居节点,则节点j也是节点i的邻居节点;

4使用分布式地址分配机制DAAM,任意节点在没有信息交换的的前提下,可获得父节点和子节点地址;

5任意节点维护一跳邻居表,任意邻居表记录由邻居网络地址和子节点数量组成。

2. 2 Zig Bee树节点自剪裁转发算法

通常Ad hoc网络的自剪裁广播算法中,节点v接收到RREQ消息后不会直接转发,而会先判断是否需要转发RREQ消息[12]。若节点v的所有邻居节点都已经接收到节点u转发的RREQ消息,即N( v) - N( u) = φ,那么节点v就没必要转发RREQ消息了。这就需要节点获悉两跳邻居表信息,而这对于能量和带宽有限的Zig Bee网络来说是不可能实现的,所以,提出Zig Bee树节点自 剪裁算法ZOSR。ZOSR算法步骤如下:

1一旦有路由请求,源节点就会向邻居节点广播RREQ消息;

2若中间节点v首次接收到RREQ消息则将RREQ消息缓存,并启动定时器;

3节点v根据DAAM地址分配方式计算TN( v) , 令TC( v) = TN( v) ;

4节点v接收到节点u发送的相同RREQ消息,则节点v根据DAAM地址分配方式计算TN( u) ,并计算TC( v) = TC( v) - TN( u) ;

5若TC( v) = φ,节点v丢弃该RREQ消息,并停止计时器;

6重复步骤4和步骤5,直到定时器超时;

7若定时器超时,则转发缓存中的RREQ消息;

8 RREQ消息到达目的节点之前,重复步骤2 ~ 7;

9目的节点接收到RREQ消息后,沿RREQ反向路径回复RREP消息;

10源节点接收到RREP消息后建立到目的节点之间的路由。

2. 3 Zig Bee转发节点选择算法

为了进一步减少RREQ消息的转发次数,在ZOSR算法基础上提出一种Zig Bee转发节点选择算法ZOFNS,此算法根据一定准则,进一步地在未被覆盖的树邻居节点中挑选最优的转发节点进行RREQ消息的转发。ZOFNS算法具体步骤如下:

1一旦节点v有路由需求,则向邻居节点广播RREQ消息,并初始化转发节点集合,令F( v) = φ;

2利用式( 4) 分别计算节点v的备选转发节点集S( v) 和覆盖节点集C( v) ;

3节点v若接收到节点u转发的RREQ消息, 则根据式( 5) 更新节点v的备选转发节点集合覆盖节点集;

4根据N( v) 中节点网络地址对节点进行排序;

5对于节点v的任意邻居节点w,若w∈S( v) , 则令节点w的状态为“初始”状态,反之,则令w状态为“已转发”状态;

6初始化当前深度值,令Current Level = Lm;

7对于处于当前深度,且为“初始状态”的任意节点x,若x没有子节点或所有子节点深度均为Current Level + 1,则将x的状态更新为“不转发”,反之将x的状态更新为“转发”;

8对于任意深度为Current Level + 1,状态不为 “已转发”,且父节点x深度不为Current Level的节点y,若节点y的状态为“不转发”且节点x的父节点深度为Current Level - 1,则将节点x的状态设置为“转发”。否则,将节点y的状态设置为“转发”;

9更新当前 深度值,令Current Level = Current Level - 1;

10重复步骤7 ~ 9,直到Current Level = 0;

11仅状态为“转发”的节点转发RREQ消息。

3仿真分析

为了有效地评价ZOSR算法和ZOFNS算法的性能,采用MATLAB软件来进行仿真。将ZOSR算法和ZOFNS算法与Zig Bee经典路由算法AODVjr分别在节点数目为20 ~ 100个的不同场景下进行了仿真比较: 包括转发节点数目和网络转发次数等指标。

仿真时网络节点静止且随机分布,并假定仿真是在MAC层和物理层都不会有数据包丢失的理想状态下进行的,取5次仿真的平均值为最终结果,其他仿真参数如表2所示。

当仿真节点数 目为90时,AODVjr、ZOSR和ZOFNS 3种算法的转发节点分布图分别如图1 ( a) 、 ( b) 、( c) 所示,图中实心节点为RREQ消息的转发节点,空心节点为无需转发RREQ消息的节点。

由仿真结果可得出AODVjr、ZOSR和ZOFNS算法的转发节点数分别为100、26和20,且算法均能覆盖全部网络节点。这说明ZOSR、ZOFNS算法能有效减少网络中转发节点数目,这是因为ZOSR算法中节点接收到RREQ消息后不会直接转发,而是等待一段时间,根据所有树邻居节点是否已接收到RREQ消息来决定当前节点是否转发RREQ消息。 而ZOFNS算法在ZOSR算法基础上,将一跳树邻居关系推广到两跳,即若当前节点的所有邻居节点的树邻居节点全部已经接收到RREQ消息,则当前节点无需转发RREQ消息。

3. 1转发节点数

随着节点数从20增加到90( 间隔设置为10) , 3种算法的转发节点数目都呈正比例增长,如图2所示。其中,AODVjr算法的转发节点数目与网络节点总数大致相等,因为AODVjr算法中一旦节点接收到RREQ消息,会向邻居节点广播RREQ消息, 则网络中所有节点都会转发RREQ消息; 而ZOSR算法和ZOFNS算法中,随着节点总数的增加,节点密度随之增加( 因为仿真区域固定) ,从而当前节点的邻居节点数目增加,能有效减少覆盖全网所需的转发节点数目。所以,随着节点数目增加,ZOSR和ZOFNS算法中转发节点数目涨幅远远小于AODVjr算法,且ZOFNS算法在一定程度上优于ZOFNS算法法。 。

3. 2转发次数

随着网络节点总数的增加,3种算法中网络总转发次数增加,如图3所示。

其中,AODVjr算法的任 意节点一 旦接收到RREQ消息后,会将RREQ消息直接转发,所以随着节点数量增加,网络总转发次数增长较快; 然而, ZOSR算法中,虽然网络节点数量增加,但转发节点数目涨幅不大,所以网络总转发次数随着网络节点总数增加而缓慢增长; 由于ZOFNS算法改进思想类似于ZOSR算法,且转发节 点的数目 更少,所以ZOFNS算法随节点总数增加,网络总转发次数增长趋势类似于ZOSR算法,但较ZOSR算法更优。

4结束语

ZigBee通信网络 篇8

“紫蜂”是Zig Bee的中文译名, 是一种新兴的双向无线通信技术, 具有短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本等优点, 主要应用在自动控制和远程控制领域。Zig Bee一词来源于蜜蜂的八字舞, 当蜜蜂发现花粉位置时, 蜜蜂 (bee) 会飞翔和“嗡嗡” (zig) 地抖动翅膀, 通过这种“舞蹈”与同伴传递信息, 通报花粉所在方位, 构成了蜂群的通信网络。也就是说, Zig Bee就是一种低成本的、低功耗的近距离无线组网通信技术。它有统一的无线通信标准, 在成百上千个微小的传感器之间协调一致达成通信。这些传感器只需要极少的能量, 就能通过无线电波以接力的方式将数据相互传递, 通信效率高。这些数据还可以通过其他通信技术远程传输或是进入计算机系统用于分析 (见图1) 。

Zig Bee技术使用的频率:全球范围2.4GHz、欧洲868MHz、美国915MHz。其定义了全功能设备 (FFD, full functional device) 和简化功能设备 (RFD, reduced functional device) 。其中, FFD是具有路由与中继功能的网络节点, 可作为协调器与路由器使用, RFD只能作为终端节点使用。每个FFD能根据网络路由协议优化最短和最可靠的路径, 如果其中一个FFD失去了路由或断网, 则另一个邻近的FFD将快速替代。因此, Zig Bee具有发达的动态拓扑结构和自维护功能。其拓扑结构主要有:星型网、树型网和网状网。

2“紫蜂” (Zig Bee) 技术的特点

与其他无线通信技术相比, Zig Bee无线网络特点有:

低功耗。2节AA电池可支持1个Zig Bee节点待机工作6~24个月, 甚至可以持续更长时间。

低速率。可分别提供250千比特/秒 (2.4GHz) 、40千比特/秒 (915MHz) 和20千比特/秒 (868MHz) 的数据传输速率, 满足低速率传输数据的应用需求。

低成本。由于其通信协议相比传统通信协议大大简化, 降低了对通信控制器的要求, 其开发成本较低。

近距离。相邻节点之间传输距离在10~100米之间, 增加射频发射功率可以增大到1~3千米。如果通过路由和节点间的通信接力, 传输距离将达到更远。

短时延。响应速率较快, 只需15毫秒即可从睡眠待机转入工作状态, 节点连接进入网络只需30毫秒。

高容量。Zig Bee可采用星状、树状和网状网络结构, 1个主节点最多可管理254个子节点, 主节点还可由上一层的网络节点管理, 最多可组成包括6.5万个通信节点的大型网络。

高安全性。Zig Bee提供了3级安全模式, 包括无安全设定、使用接入控制列表防止非法获取数据以及采用高级加密标准的对称密码, 可以合理确定其安全属性。

3“紫蜂” (Zig Bee) 技术的军事应用

基于上述特点, Zig Bee无线通信技术在军事领域具有极高的应用价值, 不仅为部队的日常勤务和作战行动带来极大便利, 甚至有可能导致作战方式的变革。

一是无线传感器网络。无线传感器网络是由大量低成本、具有传感数据处理和无线通信能力的传感器节点, 通过自组织方法形成的网络。未来信息化战场通过布设大量的传感器来收集和传输战场信息, 经过处理后再把重要的信息送到各数据融合中心, 从而形成战场的全维态势图。Zig Bee则是无线传感器网络中一种不可或缺的通信技术。美军提出的“灵巧传感器网络”概念中, 就是应用Zig Bee技术来实现信息的传输。

二是战场监控。基于Zig Bee的低复杂度特点, 利用红外探测、视频监控、振动、压力、磁和声光感应器等与Zig Bee技术结合, 可以组成一种极低成本的战场监控系统, 在战场环境周围形成声、光、磁、红外和振动感应的立体全方位监控网。通过无线方式, 将监视信息汇集并传递到中心监控站, 通过Zig Bee具有的多路由功能, 保证了监控网络具备很高的可靠性和抗破坏能力。

三是军事侦察机器人。利用Zig Bee模块为核心的无线控制技术, 可以监控和控制各种电子设备, 甚至可以控制军事侦察机器人, 这种控制功能可以提供多种传输速率和距离选择, 控制距离可达100米到40千米, 传输速率可以从几千比特/秒到1.5兆比特/秒。美军在阿富汗山区使用的侦察机器人就是利用Zig Bee技术实现控制的。

四是军用物资仓储和物流管理。Zig Bee模块使用在军用仓库中, 具备温度、湿度和光线强度传感器功能, 能够持续监控仓库内部的环境温湿度和光线强度, 并将监控实时信息及时上传网络控制中心, 再由控制中心将处理过的信息以命令形式发送给相应的控制设备, 从而实现温度、湿度和光线强度的自动调节。如果将Zig Bee与射频识别技术进行结合, 就可以有效地掌握军用物资的存储和运输状态, 提高物流管理能力。

五是单兵综合作战系统。将Zig Bee模块与生物传感器结合使用, 可以将单兵的生命体征数据收集并传送到单兵所携带的穿戴式计算机, 计算机将这些数据进行处理后, 通过卫星通信系统传送到指挥中心, 指挥员就可以实时掌握部队的战斗力状态。如果与其他传感器结合, 还可以对敌方核、生、化沾染情况和其他侦察数据进行采集、处理, 并发送到指挥中心。

ZigBee通信网络 篇9

ZigBee技术包含了一整套专门为无线网络传感器和控制器制定的规范，是专门为低成本、低性能的传感器和控制器节点设计的无线网络[1]。ZigBee网络原本不是用来进行语音传输的，但是由于ZigBee网络的自组网能力以及其高可靠性等优点，使得已经部署在某一区域内的ZigBee网络节点正好为突发事件的应急语音通信提供了很有价值的通信基础设施。

针对以上特点，对基于ZigBee网络的语音应急通信可行性进行了研究。本文首先简要介绍ZigBee技术和通话质量评估标准，进而对以下问题进行研究：

(1)线性ZigBee拓扑网络对全双工VoIP和半双工PTT(Push-To-Talk)语音通话支持的可行性和承载数量。

(2)使用R因子、端到端延迟、抖动以及丢包率等指标对语音通信质量进行评估。

研究过程中通过仿真模拟实验，对以上几个指标进行计算分析。最后对所得出的结果进行解释评价。

1 语音应急通信与ZigBee

语音应急通信需要通信设备具有高可靠性、高抗毁性、随需而设、即设即用等特点，尤其需要在无法部署固定线路的突发公共安全事件场合进行语音应急通信。有些特殊场合，如矿井、隧道等，架设专门的语音应急通信线路存在一定的困难，代价较高，使用过后不便于回收利用，而且在情况多变的恶劣环境下，靠外接电源供电的语音应急通信系统非常容易受到干扰或摧毁。

ZigBee作为一种基于低速无线个人局域网络(LR-WPAN)的双向无线通信技术标准[2]，其较强的自组网能力很好地迎合了语音应急通信随需而设、即设即用的要求;同时，ZigBee作为电池供电的无线传感器网络,其可靠性和抗摧毁性也都符合语音应急通信的关键需求;另外，由于遥感监测、现场控制等应用，已经部署在这些场合的ZigBee网络恰好为语音应急通信提供了现成的基础设施。

ZigBee网络在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz这3个免认证的ISM(工业、科研和医疗)频段上分别具有20 kb/s、40 kb/s、250 kb/s 3种不同的峰值数据速率。完整的ZigBee协议栈由高层应用规范、应用支持层、网络层、介质访问控制层、物理层和安全性服务组成，如图1所示。

ZigBee网络中的单个节点有3种逻辑设备类型：端设备(End device)、路由器(Router)、协调器(Coordinator)。IEEE 802.15.4标准定义了全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)2种物理设备类型[3]。ZigBee技术支持具有数据安全特性和互操作应用界面的星形(Star)、簇树形(Cluster Tree)、网状(Mesh)3种网络拓扑结构。

2 通话质量评估标准及影响因素

2.1 通话质量

主观评级：传统上，电信行业通过让消费者打分来衡量通话质量的好坏，评分标准为5分制。计算所有得分的算术平均数，称为平均意见得分(MOS)。电话行业的建议最低标准为3.0分，高于4.0则被认为是长话级音质(TQ)。

ITU-T E-model(R因子)：国际电信联盟远程通信标准化组的G.107标准提出的E模型(E-model)是一个被广泛使用的评估通话质量的方法。E模型将语音信号本身的特性与网络特性相结合，综合考虑各种损伤因素(丢包、延迟、抖动、噪音、回声、编码方式等)，归结出一个全面的衡量语音通话质量的额定因数，称为R因子(R-factor)。R因子的定义如下：

其中，Is是信号噪音损伤;Id是从嘴到耳(mouth-to-ear)的传输延迟损伤;Ief是由设备因素引起的损伤，包括由于编码方案和传输丢包等因素导致的数据丢失;A是期望因素。以G.729语音压缩编码方案为例，假定随机丢包，式(1)可表示为：

其中，H(.)是海维赛德阶梯函数;d是单向从嘴到耳延迟，包括与编码器有关的延迟dcodec、为了缓解抖动而引入的去抖动缓冲区(dejitter buffer)所带来的延迟djitterbuffer，以及IP网络的单向传输延迟dnetwork。变量e表示丢包概率，包括在IP网络传输的丢包率以及解码器去抖动缓冲区导致的丢包率。参考文献[4]中给出了一个基于传输层的计算d和e的方法。R因子和MOS的关系如下[4]：

(1)R<0等价于MOS=1;

(2)R>100等价于MOS=4.5;

(3)0

显然，R因子的值越大，意味着d和e的值越小，得出的MOS值也就越大。

2.2 影响通话质量的因素

可能影响ZigBee语音通信传输能力的技术因素有：第一，ZigBee网络的带宽有限，最高仅为250 kb/s，导致可支持的最多会话数量受到限制;第二，ZigBee网络中的信道访问冲突遵循CSMA/CA协议进行处理，这就不可避免地引入了额外的发送等待时间，减少了有效带宽、增加了延迟，从而导致语音通信通话质量的降低。此外，为了保证低成本的优势，ZigBee节点通常采用低增益天线设计，有限的计算能力和缓存大小，这些也都是影响通话质量的因素。

3 仿真实验及分析讨论

仿真过程中使用NS2网络模拟器[5]构建常规ZigBee网络，通过对实验数据的计算和评估，得出全双工VoIP和半双工PTT两种语音通信对应的结果。实验中使用具有N个节点的线性拓扑网络，工作频率为2.4 GHz，传输过程可以达到峰值速率(250 kb/s)，相邻节点间的距离为D，仅考虑两个端节点之间的语音通信。传输距离TXR(一次发送可以被成功接收的最大距离)为15 m，载波侦听距离CSR(一次发送可以被检测到的最大距离)为15～30 m。

3.1 VoIP的性能

每个全双工连接由两个方向相反的固定码率(CBR数据流进行模拟。数据流采用G.729a压缩算法进行编码：每20 s的数据为20 B。再加上RTP、UDP及IPv4协议的报头，一个VoIP数据包的大小为60 B。若对IPv4UDP/RTP报头进行压缩(IETF RFC 3095[6])，40 B的IPv4UDP/RTP报头可以压缩为只占1 B。这里对使用报头压缩(W/HC)和不使用报头压缩(W/O HC)两种情况都进行了研究。距离D设为8 m。每个节点的缓冲区大小为50个包的先进先出(FIFO)队列，采用尾丢弃(tail-drop)的队列管理机制。

使用R因子来度量VoIP的通话质量。为了计算R因子，应用了一个6个包大小的去抖动缓冲区。表1列出了在不同情况下R因子的计算结果。从这些结果中可以看出：

(1)在2个直连的节点之间，采用G.729a压缩编码，同时可以支持2个中等通话质量的Vo IP通话(如果使用报头压缩，则可以支持到3个)。

(2)对于需要两跳才能完成通信的节点，若能够避免终端隐藏问题，即假定CSR大于等于TXR的两倍，则可以支持一个Vo IP通话。

(3)当2个节点之间的通信需要3跳以上时，无法实现采用G.729a压缩编码的Vo IP通话。

注:(1)在1跳的情况下,CSR=TXR与CSR>TXR无区别;(2)当超过3跳时,无论是否采用报头压缩,也无论CSR和TXR的关系如何,R因子都小于0。

3.2 PTT的性能

因为PTT是半双工的语音通信，所以其延迟和抖动比Vo IP更加容易被接受。每一个PTT会话包含一连串的脉冲信号，其长度相当于某一个用户讲话的持续时间。假定每一段模拟语音的持续时间一样长，语音脉冲信号采用5.15 kb/s的自适应多速率(AMR)方式编码，每一帧语音数据(20 s)转化为一个13 B的AMR帧，使用单路固定码率(CBR)进行传输。假设每个IP语音数据包中含有Namr(=5)个语音数据帧。

(1)平均每个PTT会话包含4个脉冲信号，每个脉冲信号的持续时间为7 s。

(2)会话的到达依据泊松过程(Poisson Process)的平均到达率λ。

为了研究PTT会话数的最大值，假定有Ns个活动会话，也就是说，设λ=Ns/(4×7)。节点间的距离D=8 m,CSR=2×TXR=30 m。缓冲区大小分两种情况，分别为50个包和200个包的先进先出(FIFO)队列，同样采用尾丢弃的队列管理机制。

为了评估PTT传输的性能，对端到端(E2E)IP包的网络传输延迟Td、抖动Tj以及丢包率Rloss进行了测量。由于每个IP包所包含的AMR语音数据帧的数量Namr相等，所以实际的语音数据帧的丢包率与测得的IP包的丢包率相等。额外延迟包括编解码延迟、信号协议延迟、CPU处理延迟等，与传输延迟相比，额外延迟占据了端到端延迟的绝大部分。

图2给出了平均丢包率、平均端到端IP包传输延迟，以及平均端到端传输抖动。仿真实验的计算结果表明，当端到端传输需要1跳时最多可以支持17个PTT会话，需要2跳时最多可以支持3个PTT会话。当端到端传输需要3跳以上时，由于丢包率Rloss超标导致无法支持PTT通话。

3.3 结果分析与讨论

经过研究得出结论:ZigBee网络能够支持语音通信，但是语音会话的数量和设备间通信所需的跳数都受到限制。随着跳数和语音连接数量的增加，传输延迟和丢包率迅速增大,正如在仿真实验中得出的结论所示，若设备间通信超过两跳，则无法实现语音传输。

现在所面临的问题是如何改善通话质量并提高ZigBee网络支持语音通话的能力。如前所述，丢包率和延迟是决定通话质量的主要因素。首先，为了降低丢包率，同时考虑到ZigBee节点的内存容量有限，必须为ZigBee网络设计和实现通话允许控制。对于多次反射ZigBee网络，必须严格设计通话允许控制，以便利用空间重用和并发传输等优点。其次，为了降低传输延迟，必须通过减少竞争来增加有效带宽。可以引入资源预留机制以适应节点间的时间槽调度，并且在CSMA的基础上实现更高级别的TDMA。因此，为了避免冲突、提高吞吐量，需要让商用量产硬件只支持无时间槽的CSMA/CA。这些问题将在今后的工作中进一步研究。

本文没有对星形拓扑结构进行模拟，这是因为考虑到在网络中只进行语音通信的情况下，星形结构和线性结构没有区别。由于ZigBee本身就是一种低数据量、高性能的网络，所以在语音通话时出现并发数据传输的可能性很低。另外，正如本文所研究的，当节点间通信超过2跳时，线性结构就无法进行语音通信了，因此，星形拓扑结构可以被视为线性拓扑的一个变种。

本文对ZigBee技术进行了概述，研究了基于简单拓扑结构ZigBee网络的全双工VoIP和半双工PTT语音通信的可行性，对R因子、端到端延迟、抖动以及丢包率进行了讨论。仿真实验的研究结果表明，2个直连的ZigBee节点之间最多可以支持3个VoIP或17个PTT会话，线性结构的网络最多只能在少于2跳的节点之间进行VoIP或PTT通信，超过2跳则无法进行语音通信，在煤矿安全、智能大厦防灾等需要应急通信的环境中，有一定的实际意义。

摘要：简要介绍ZigBee无线网络技术以及电信行业通话质量的评估标准。通过仿真模拟,对ZigBee无线信道上的VoIP和PTT两种语音通信的通话质量进行评估,并对ZigBee网络的语音应急通信的可行性进行了分析和研究。结果表明在节点间通信少于两跳及无线链路质量较好的情况下,ZigBee网络能够提供语音服务。

关键词：ZigBee,VoIP,PTT,通话质量

参考文献

[1]翟雷,刘盛德,胡咸斌.ZigBee技术及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[2]ZigBee Alliance.ZigBee Specification(Revision dated Q4/2007).http://www.zigbee.org/en/spec_download/.

[3]IEEE Std.802.15.4-2003.IEEE Standard for Load and Metropolitan Area Networks part15.4:Wireless medium Access Control(MAC)and Physical Layer(PHY)Specifi-cation for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR-WPANs)[S].2003.

[4]COLE R G,ROSENBLUTH J H.Voice over IP perfor-mance monitoring,ACM Comp.Commun.Rev.,2001.

[5]Network Simulator(NS2).http://www.isi.edu/nsnam/ns.

ZigBee通信网络 篇10

近年来, 随着传感器技术和芯片技术的飞速发展, 传统的传感器监测已经不能满足人们对信息获取的要求, 因此迫切需要一种新方法进行环境的监测。本文采用无线传感器网络技术进行周围环境的监测与控制。无线传感器网络不需要较高的传输带宽, 但却需要较低的传输时延和极低的功率消耗;而Zig Bee具有复杂度低、功耗低、成本低和安全性高的特点, 使得无线传感器网络与Zig Bee技术可完美地结合在一起。因此本文采用IEEE 802.15.4/Zig Bee协议, 设计了一种以射频芯片CC2430为核心的无线监测网络系统。

2 ZigBee协议简介

Zig Bee是Zig Bee联盟定义的无线网络标准[1,2]。ZigBee联盟提供了上层协议栈, 包括网络层、安全层和应用层。Zig Bee的通信范围大约是100m, 适合于多种应用方式, 诸如家庭自动化网络、工业控制网络、交互式玩具、远程监测等。

Zig Bee基于IEEE 802.15.4技术[3], 适合于低速率无线个域网, 传输速率分别为20k/s、40k/s和250k/s。射频工作频段分别为868MHz、915MHz和2.4GHz, 均使用直接序列扩频技术。IEEE 802.15.4仅仅规定了MAC层和物理层, MAC层使用CSMA/CA协议。

Zig Bee具有三种拓扑结构:星型网、簇状网和网状网。典型的Zig Bee个域网由全功能设备和简化功能设备组成。协调器和路由器通常是全功能设备, 总是处于开机状态。协调器支持所有点对点的连接, 负责网络的形成, 它决定是否接受新网络成员。路由器负责不同节点的路由。全功能设备可以是协调器、路由器和终端设备, 但简化功能设备只能是自动搜寻邻近协调器并与其通信的终端设备。

Zig Bee具有两种网络:信标使能网和非信标使能网。在信标使能网络中, 协调器周期性的发送信号, 终端设备使用这种信号进行数据传输的网络关联、加入与同步。Zig Bee也支持时隙CSMA/CA的延迟进行时隙的同步。在非信标使能网络中, 协调器周期性的发送信号暴露自己的存在, 以便终端设备发现自己。协调器和终端设备通过发送的数据请求信号和应答信号进行通信。协调器和路由器必须时刻作好准备, 进行点对点的通信。

Zig Bee支持两种数据类型:键值对和消息。键值对数据通常是一种命令——响应机制, 例如, 用户打开开关按钮时, 开关按钮向射频芯片发出信号使其开灯。消息数据支持二进制的数据传输, 数据量受支持的帧字节数限制。

3 传感器节点系统设计

传感器节点由传感器模块、无线通信模块 (包括处理器) 和电源模块组成。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换;处理器负责控制整个传感器节点的操作, 存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块负责与其他传感器节点进行通信, 交换控制信息和收发采集数据;电源模块为传感器节点提供运行所需的能量[4]。下面分别设计各模块。

无线通信模块采用射频芯片CC2430。CC2430集成了CC2420射频收发机、Zig Bee射频前端、128k B闪存、8k B RAM和8位8051微处理器[5], 是实现嵌入式Zig Bee应用的片上系统, 支持IEEE 802.15.4/Zig Bee协议, 可用于各种Zig Bee无线网络节点, 包括协调器、路由器和终端设备等。传感器节点总体设计图如图1所示。

3.1 射频芯片CC2430外围电路的设计

CC2430芯片配合少数的外围元器件就能实现信号的收发功能[5]。其电路原理图如图2所示。电路原理图包括:晶振时钟电路和射频输入/输出电路。电路使用一个不平衡变压器。不平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及PCB微波传输线组成, 整个结构满足RF输入/输出阻抗匹配 (50Ω) 的要求。内部T/R变换电路完成LNA和PA之间的变换。R221和R261为偏置电阻。32MHz的石英谐振器 (XTAL1) 和2个电容 (C191和C221) 构成32MHz的晶振电路;32.768k Hz的石英谐振器 (XTAL2) 和2个电容 (C441和C431) 构成32.768k Hz的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电。去耦电容C241和C421用于电源滤波, 以提高芯片工作的稳定性。

3.2 传感器模块的设计

传感器模块的功能就是收集需要的环境信息, 如温湿度、压力、强度等。本设计传感器节点使用温度传感器MCP9700采集环境温度数据。MCP9700能将温度信号转换为模拟电压, 它有5个引脚:电源 (VCC) 、地 (GND) 、输出电压信号 (VOUT) 和2个悬空引脚[6]。当使用ADC采集温度时, 电压输出引脚 (VOUT) 可直接与CC2430的I/O口输入端相连。此处使用P0.7引脚采集温度信号。根据MCP9700手册的建议应该在VDD和GND引脚间连接一个0.1μF~1μF的去耦电容, 在电源电压和VDD引脚间连接一个200Ω的高频陶瓷电阻和一个1μF的去耦电容。布线时去耦电容与VDD和GND引脚应该靠近, 以提供有效的噪声保护, 同时使数字线路远离传感器。温度传感器的原理图如图3所示。

传感器采集到模拟信号后, 使用CC2430内置的模数转换器 (ADC) 进行模数转换。ADC在使用前, 需要对CC2430寄存器进行一些配置[5]。ADC的输入端使用CC2430芯片的P0口进行信号采集, P0口默认为数字输入输出口, 所以要设置寄存器ADCCFG=0x80, 使P0口用作ADC的输入端。同时I/O口默认为数字口, 因此寄存器P0SEL的相应位需要置1。CC2430选择内部的1.25V参考电压, ADC选择14位采样分辨率。所以应设置ADCCON2=0x37, ADCCON1=0x73。

3.3 电源模块的设计

由于CC2430的电源要求为2.0~3.6V, MCP9700的电压范围与CC2430一致, 因此传感器节点采用3.3V电源。为了使传感器节点获得稳定电源, 传感器节点使用直流电源和电池供电。直流电源优先启用, 当直流电掉电时, 电池开始供电。直流电源使用交流220V变到直流5V的电源模块, 电池供电使用3节五号干电池。为了将5V和4.5V电源变为3.3V电源, 使用电平转换芯片TPS7333Q实现[7]。

TPS7333Q无需输入电容。TPS7333Q需要在稳压器输出端和地线之间连接一个10μF的固态钽电容来维持器件的稳定性;需要使用陶瓷旁路电容 (0.047p F~0.1μF) , 来改善负载瞬态响应和噪声抑制功能;固定输出器件的SENSE端应该连接到稳压器的输出端, 来保证稳压器的正常工作。电源模块原理图如图4所示。

4 传感器节点在无线监测网络平台的实现

无线监测网络一般由大量的传感器节点组成, 这些节点通常部署在监测区域内部或者监测区域附近, 通过自组织方式构成网络[4]。传感器节点根据逻辑功能分为三种:协调器、路由器和终端设备。终端设备收集数据, 以多跳的方式通过路由节点把数据传送给协调器节点。协调器节点把这些数据传输到计算机上供用户处理。下面使用已经下载好程序的传感器节点进行实验。

实验使用传感器网络分析仪[8] (Daintree Sensor Networks Analyzer, SNA) 、串口调试助手、2台计算机和15个Zig Bee节点。15个Zig Bee节点包括:2个协调器、2个路由器和11个终端设备。一台装有SNA软件的计算机通过USB接口与捕获设备连接。捕获设备不用下载程序, 可以使用任意一个传感器节点, 这里使用协调器。另一台装有串口调试助手的计算机通过串口与协调器连接。当需要的软件和Zig Bee设备安装好后, 从SNA界面上选择捕获设备, 并点击捕获, 捕获设备开始捕获Zig Bee设备 (协调器、路由器或终端设备) 的信号, 协调器开始与路由器、终端设备通信。

当所有Zig Bee节点放置在室内时, 由于两个Zig Bee设备处于一条通信的辐射范围内, 因此协调器直接与终端设备通信。当将2个路由器和3个终端设备移到户外距离协调器120多米时, 两个节点之间的通信距离超出了ZigBee的辐射距离, 因此终端设备的信号开始变弱并通过路由器与协调器通信。图5是SNA软件显示的无线监测网络树形图。从图5中可以看出, 三个终端设备网络地址均发生改变, 7974关联为1431、7976关联为1430、7978关联为286d。网络地址为7974、7976、7978的终端设备图标均变成灰色, 网络地址为1431、1430、286d的终端设备经过路由器重新关联协调器。7976由于信号太弱, 对协调器没有响应, 因此带有“?”标记。当7976经过路由器时, 重新关联为1430与协调器通信。

此时, 打开计算机上的串口调试助手, 将波特率设置为38 400, 可以看到11个终端设备向协调器发送测量到的温度数据。串口调试助手显示的温度信息如图6所示。这样从计算机上就可以看到传感器节点采集到的温度数据。由此可以看出设计的传感器节点可以组成无线网络, 用于监测周围环境的温度。

5 结束语

本文采用Zig Bee协议栈, 给出了无线监测网络的通用设计方法。如果更换传感器节点的传感器, 无线监测网络可以应用于不同的场合。例如在企事业单位, 无线监测网络可以应用于不适合或无法布线的场合或需要移动办公、移动工作的系统[9];在机械系统上, 无线监测网络可以采集、监控传统方法无法获取的信号。如果无线监测网络配合有线网络如以太网, 可以实现整个工厂范围内机组的实时监控;无线监测网络配合蜂窝网络技术, 可以实现手机对设备的实时监测。目前无线监测网络的研究已经涉及到广阔的应用领域, 如目标跟踪、大鸭岛海燕监测、冰河检测、医疗健康、电子牧场、结构化监测和火山观测等[10]。可以说, 无线网络是信息感知和采集的一场革命, 它被《商业周刊》视为未来四大技术之一[11]。

参考文献

[1]ZigBee Specification (200612-1) [S].http://zigbee.org/en/spec_download/spec_download.aspDAccess-Coad=5018973.

[2]ZigBee TM:An Overview, http://www.must.edu.my/Pdwong/resources/sensors/ZigBee2.htm.

[3]Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPAN) , IEEE Standard802.15.4-2006[S].

[4]I.F.Akyildiz, W.Su, Y.Sankarasubramaniam, E.Cayirci., A Survey on Sensor Networks[J].IEEE Communications Magazine, August2002P103.

[5]A True System-On-Chip solution for2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBeeTM, Chipcon SmartRF CC2430Data Sheet (Rev2.1) , P1, P28-P29, P125-P130http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/cc2430.pdf.

[6]Microchip MCP9700/01低功耗线性有源热敏电阻IC, P1, P7-8.http://ww1.microchip.com/downloads/cn/DeviceDoc/cn026636.pdf.

[7]Low-dropout voltage regulators with integrated delayed reset function, Texas Instruments TPS7333Q, P1-2, P35-37, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps7301.pdf.

[8]DaintreeNetworks Sensor Network Analyzer Quick Start Guide (2007-11-9) , http://www.daintree.net/products/sna.php.

[9]王英洲, 方旭明.短距离无线通信主要技术与应用[J].数据通信, 2004 (4) :53.

[10]李晓维.无线传感器网络技术[M].北京:北京理工大学出版社, 2007:9-10.

ZigBee通信网络 篇11

关键词：无线通信 ZigBee技术 智能照明系统 应用

当前的智能照明控制系统多基于有线模式，虽可达到控制效果，但施工布线比较复杂，系统扩展性较差，投入使用后即较为固定，难以移动。因此，为了提高智能照明系统的可移动性、可拓展性，就需要将智能控制建立在无线通信基础上，发挥ZigBee等技术的无线通讯优势，从而与智能照明系统的发展趋势良好配合。

1 ZigBee技术无线通信技术优势分析

ZigBee技术是一种基于双向的无线通讯技术。此种技术的应用优势体现在：传输功耗低、传输成本低、传输设备简便等。同时，在ZigBee技术支持下所对应的移动设备相对更加的固定与便携。从数据传输的角度上来说，可将ZigBee技术作用于间隔距离较短、运行功耗较低的电子设备数据传输领域，或者是数据周期性、间歇性传输作业。当前技术条件支持下，ZigBee技术所对应的数据传输模块与常规意义上的移动网络基站有一定的相似性，但其通讯距离范围扩展至75米乃至百米以上单位。

在将无线通信技术融入智能照明系统领域的过程当中，主要采用的无线通信技术包括以下几种类型：其一为基于WiFi的数据传输技术；其二为基于蓝牙的数据传输技术；其三为基于ZigBee的数据传输技术。从协议标准的角度上来说，WiFi传输以802.11a.b.g为标准通讯协议，蓝牙技术以802.15.1为标准通讯协议，而ZigBee技术则以802.15.4为标准通讯协议；从占用系统资源的角度上来说，WiFi技术系统资源可达到1.0 M以上，蓝牙技术系统资源可达到250.0 Kb以上，而ZigBee技术系统资源可达到50.0～60.0 B左右；从支撑网络节点数量的角度上来说，WiFi技术对应网络节点数为32个，蓝牙技术所对应网络节点数为7个，而ZigBee技术对应网络节点数则为65536个；从最大通信距离的角度上来说，WiFi技术支持最大通讯直线距离为100.0m，蓝牙技术所支持最大通讯直线距离为10.0m，ZigBee技术所支持最大通讯直线距离为100.0m以上。

综合以上分析可知：以上三种无线通信技术均具有其独特的优势，适用于不同的工作环境及领域。而在智能照明系统领域中，考虑到整个运行系统中的节点数量较多，而在光源控制的过程当中对网络容量要求较大，且需要最大限度的节约功耗，建议在智能照明控制系统中基于ZigBee技术完成组网设计。

2 工程概况

安哥拉赞谷8000套市政电力及基础道路照明工程项目由中信建设EPC总包。本项目位于首都罗安达省ZANGO地区，项目占地面积416公顷。工程内容包括8000套公寓、5所幼儿园、4所小学和3所中学及配套的市政基础工程，总居住户数8000户，总居住人数约48000人。

道路采用杆式照明，大市政道路照明采用的路灯类型有：16米三头路灯、16米双头路灯、12米单头路灯、9.5米单头路灯、8米双头路灯和8米单头路灯等。小市政道路照明采用4.5米单头庭院灯及3.5米单头庭院灯。大小市政路灯总量4480余套，整个系统设智能照明调控装置，优化电力质量，进行多时段节能电压设置并能实时稳压、控压，从而起到节电的效果，且不产生高次谐波，对电网无污染。结合本道路照明系统实际需求，引入ZigBee技术进行系统设计，现就硬软件应用要点展开探讨。

3 智能照明系统硬件设计分析

在对系统芯片进行选择的过程当中，基于对ZigBee技术的维护需求，要求芯片满足以下几个方面的性能要求：其一，成本低廉；其二，能耗水平低；其三，集成水平高；其四，电压水平低。综合以上要求，选取CC2430芯片作为优选方案。在当前的技术条件支持下，本芯片建立在CMOS工艺基础之上形成，元器件需求较少，运行功耗低。且，芯片内部设置有基于数字直接序列的扩频调制解调模块，该模块在正常运行状态下可实现的扩频增益水平为9.0dB，同时设置基于ZigBee技术的协议栈。

整个ZigBee技术支持下智能照明系统硬件结构设置为网络拓扑结构模式。整个智能照明系统网络节点由协调器设备、以及终端节点设备两个模块构成。其中，对于协调器设备而言，其具有基于802.15.4 ZigBee技术所对应的全部协议栈内容，因而可以作为全功能设备应用。结合实践经验来看，一般来说一个完整的ZigBee协议栈所占用空间为32.0KB，而在以上器件的配合运行下，储存空间可降低至4.0KB，达到节约成本的目的。

其一，从协调器硬件设计的角度上来说，考虑到协调器需要负责完成包括网络维护、数据传输、指令传输、系统管理、以及运行监测在内的多个方面的工作任务，因而功耗相对较高，为了确保其运行的持续性与稳定性，要求在硬件设计期间，通过外接电源的方式，确保供电可靠。同时，建立在USB接口之上实现与PC机的可靠联通。具体而言，协调器的硬件设计结构如下图所示（见图1）。

■■

其二，从终端节点硬件设计的角度上来说，通过安置光照传感器的方式，可及时检测环境中的光照强弱。硬件系统要求：在热释电传感器检测所覆盖区域内无人的情况下，可执行关闭照明灯具。同时，若感知光线亮度过大，可通过光传感器度亮度进行调整。建立在ZigBee网络支持下，要求面向各个灯节点进行信息传输控制。具体而言，终端节点的硬件设计结构如下图所示（见图2）。

4 智能照明系统软件设计分析

首先，从协调器装置的角度上来说，在基于ZigBee技术所构建的智能照明系统当中，协调器所具备的两大关键功能为：①构建网络支持运行；②网络管理。在构建基于ZigBee网络，并按照智能照明系统实际需求，对网络地址进行分配，对绑定列表进行维护的过程当中，要求协调器装置通过扫描空闲信道的方式创新网络，并基于独立扫描程序，保障连接设备能够自动加入新创建网络。按照此种方式，整个协调器装置所对应的软件设计结构如下图所示（见图3）。

其次，从终端节点软件设计的角度上来说，其在智能照明系统当中的主要工作任务为：接受由协调器装置所发出的数据信息及操作指令，并根据对数据信息的处理结果，要求系统内灯具装置执行开关操作。在此基础之上，操作结果可反馈至协调器装置终端节点上。终端节点获取所反馈结果后，使用信道对近邻的协调器进行扫描搜寻，申请加入网络中，合并对系统进行控制。按照此种方式，整个终端节点装置所对应的软件设计结构如下图所示（见图4）。

5 结束语

在将ZigBee无线通信技术应用到智能照明系统运行的过程当中，极大程度的节约了耗电量，且支持多时段的定时性控制，也可基于PC电脑单机实现远程控制，成本低廉，体现了照明系统的智能化要求，值得在后续的实践工作中加以应用与推广。

参考文献：

[1]陈昌鹏，缪希仁.基于DALI协议的智能照明系统研究与开发[J].低压电器，2009（14）：18-22.

[2]郭铁桥，陈勇.基于CAN/LIN总线的智能照明系统[J].自动化仪表，2011，32（2）：46-48.

ZigBee网络结构及协议分析 篇12

一个符合IEEE 802.15.4的系统由几个部分组成。最基本的是器件, 设备可以是RFD (简化功能设备Rduced-function device) 或FFD (全功能设备Full-function device) 。由两个或两个以上的这样的设备构成一个网络, 但一个WPAN网络中至少要有一个FFD设备作为协调器, 所以RFD一般作为终端使用, 而FFD设备作为协调器或网关使用。网络是一个IEEE 802.15.4的另一个组成部分。

2 Zig Bee协议体系结构

2.1 物理层

IEEE 802.15.4规范定义了27个信道, 而在2.4GHz频段上定义了16条信道, 在具体工作时, 传感器网络可以在其中选择一个编号为11-26的信道, 也就是2.4GHz的信道传输信号。

2.2 MAC层

Zig Bee的MAC层提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务。管理服务负责MAC层的各类管理工作以及信息数据库的维护;MAC数据服务通过MAC层的公共子层服务接入点支持在对等的MAC层的实体之间来传输数据。

2.3 网络层

网络层负责拓扑结构的建立、网络连接的维护, 主要功能有设备连接和断开的机制, 帧信息传送时的安全机制, 设备的路由发现、维护和转交, 发现和存储一跳邻居设备的信息, 当一个Zigbee协调器创建一个新的网络时网络层还要负责为新加入的节点分配短地址, 提供一些函数来完成MAC层的工作以并为应用层提供适合的服务接口。

2.4 应用层

应用支持子层 (Application Support sublayer:APS) 、Zig Bee设备对象 (Zig Bee Device Object, ZDO) 和应用对象。APS是应用层的一个子层, 它负责在绑定的设备之间传送信息及维护绑定表。ZDO是一个特殊的软件对象, 为网络层和应用支持子层以原主的形式提供服务, 它可以是一个Zig Bee设备或是一个Zig Bee路由器或是一个Zig Bee协调器。

3 Zig Bee协议关键概念解析

本节将介绍上文中所提到的有关Zig Bee体系结构时所涉及到的相关概念。这些概念都是Zig Bee联盟在制定Zig Bee规范时所定义的。这些关键概念的定义对于开发和设计Zig Bee网络是至关重要的。

3.1 原语

在Zigbee协议下的工作, 各层上都有不同的任务在执行, 而每层要完成的一般都会分为两个方面, 一方面是根据上一层的要求对下一层提供服务, 另一方面就是根据下一层的服务要求为上一层提供的服务。而这样的服务都必须一定的规范和时机下完成, 这样就只有原语才能实现这种封闭的要求。

3.2 配置文件

配置文件指对分布式应用的描述, 对逻辑设备及其接口描述的集合, 是面向某个类别的公约或准则。在消息、消息格式、请求数据等方面的一个共识。配置文件分为协议栈层次的应用层次的两种, 一种是来定义网络类型、拓扑结构等的网络通信规则的, 这一种是stack profile, 一种是与特定的应用场景相关的, 这一种就是application profile。

3.3 路由

在一个Zigbee网络当中, 设备的通信依赖于网络的地址, 当一个网络形成后, 每个设备都会被分配一个16位的网络短地址。当一个消息从源节点形成后, 到达目标节点可能有多种传输路径, 在这些路径中由路由发现 (route discovery) 寻找到一条最适合的路径, 这样可以节约开销减少传输时间。并且在路由的过程当中设备还要记录路由的信息, 为下面的路由发现提供依据。

3.4 端点

一个射频可以支持不同的应用, 每一个Zigbee节点可以包含多个端点, 端点就是一个8位的字段, 这8位的字段可以表示的0-255个端点的编号。其中0号端点作为Zigbee设备对象, 用于管理该节点的类似于初始化以及配置工作, 应用程序是可以通过0号端点实现与协议栈的其它层的通信的;255号端点用于发送广播帧, 寻找所有活动端点;241-254为保留端点;所以可以被用户所使用的端点号是由1-240这240个应用。

3.5 属性和簇

每一个Zigbee节点有很多的属性, 这些属性也都有自己的值。一个簇 (cluster) 就是一些属性和命令的集合。一个应用一般会定义出在这个应用当中不同操作的集合也就是簇, 而在这一个簇当中可能会有相关的操作命令及属性, 当要调用此应用的时候就可以先访问到该簇的编号即cluster ID, 再根据具体的操作而设置不同属性值以实现操作的目的。

摘要：目前, 在WSN的无线通信方面可以采用的主要有ZigBee、蓝牙、Wi-Fi和红外线等技术。其中ZigBee技术由于其自身的经济、可靠、高效的优点在WSN中有着广泛的应用前景。ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率的无线技术, 它工作的频率是2.4GHz和868/928MHz, 这个频率是用于个人区域网和对等网络的频率。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础,

关键词：ZigBee,协议,网络

参考文献

[1]张亚琼, 杜永贵.基于CC2430的ZigBee智能传感器网络研究及应用[J].仪表技术, 2008 (04) .