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          基于ZigBee的無線網(wǎng)絡技術及其應用

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          作者:顧瑞紅,張宏科 時間:2006-06-21 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
           
           
            摘 要:是一種新興的短距離、低速率技術,本文詳細分析了技術,IEEE802.15.4標準及相關應用,討論了它們的關系和相對其它技術的特點,并對其在家庭通信網(wǎng)中的應用前景進行了分析和展望。本文還針對與NGN(IPV6)的結(jié)合做了分析。 
            關鍵詞:IEEE802.15.4  短距離無線 IPV6 

            長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線市場一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今,這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術,用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡。它是ZigBee應用層和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。 ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準,在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。 
            一般而言,隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術,ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點,也決定了ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 
          1 IEEE 802.15.4和ZigBee介紹 
            IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎。802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接,可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應用領域。傳感器網(wǎng)絡是其主要市場對象。 
          1.1 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術特點 
            IEEE802.15.4滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示) 。
          ZigBee Profiles
          網(wǎng)絡應用層
          數(shù)據(jù)鏈路層
          IEEE802.15.4 LLC             802.2LLC
          IEEE802.15.4 MAC
          868/915 PHY              2400 PHY
          圖1 IEEE802.15.4協(xié)議架構(gòu)


            IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準,通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務相關的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標準,同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務。表1列出了IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能。 
          表1 IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能
           LLC子層的主要功能:  IEEE802.15.4的MAC協(xié)議主要功能:
           傳輸可靠性保障和控制  設備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束
           數(shù)據(jù)包的分段與重組  確認模式的幀傳送與接收
           數(shù)據(jù)包的順序傳輸  信道接入控制
             幀校驗
             預留時隙管理
             廣播信息管理
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            IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準,分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴頻),使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段,915MHz是美國的ISM頻段,這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s,916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802.15.4的一些特點。 
          表2 IEEE802.15.4標準的主要技術特征
           復雜程度  比現(xiàn)有標準低  通信時延  ≥15ms
           目的  只支持數(shù)據(jù)通信  功耗  約45μs
           頻段,數(shù)據(jù)率  868MHz:20kbps 1  MAC的控制方式  
           及信數(shù)  925MHz:40kbps 10
           2.4GHz:250kbps 16
           星型網(wǎng)絡,對等網(wǎng)絡  
           每個網(wǎng)絡
           支持節(jié)數(shù)
           65536  尋址方式  64bit IEEE地址,
           8bit網(wǎng)絡地址
           連接層結(jié)構(gòu)  開放式  溫度  -40℃~85℃
           傳輸范圍  室內(nèi):10m速率
           250kbps;+0dBmTX
           室外:30m~75m速率
                40kbps;
                300m速率,20kbps
           應用  傳感器,玩具,
           控制領域…


          1.2 ZigBee技術概述 
            ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的,有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議,ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點,而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡,對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。 
            完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定,IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。 
            應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上,具體而言包括: 
            (1) 安全與鑒權; 
            (2) 多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚; 
            (3) 設備發(fā)現(xiàn); 
            (4) 業(yè)務發(fā)現(xiàn)。 
            網(wǎng)絡層將主要考慮采用基于ad hoc技術的網(wǎng)絡協(xié)議,應包含以下功能: 
            (1) 通用的網(wǎng)絡層功能:拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護,命名和關聯(lián)業(yè)務,包含了尋址、路由和安全; 
            (2) 同IEEE802.15.4標準一樣,非常省電; 
            (3) 有自組織、自維護功能,以最大程度減少消費者的開支和維護成本。 
            相對于常見的無線通信標準,Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單,其具體實現(xiàn)的要求很低,以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計: 
            (1) 8位處理器,如80c51; 
            (2) 協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM; 
            (3) 最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM; 
            (4) 網(wǎng)絡主節(jié)點需要更多的RAM,以容納網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點的設備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設備關聯(lián)表、與安全有關的密鑰存儲等。  {{分頁}}
          1.3 整個協(xié)議構(gòu)架 
            在標準制定的分工上,由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務小組共同制定,其中實體層、MAC層、資料鏈結(jié)層,以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導,并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研討,而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求,為不同應用修正其所需之應用界面。ZigBee從802.15.4標準開始著手,目前正在定義允許不同廠商制造的設備相互對話的應用綱要。 
          1.4 IPV6 Over 802.15.4 
            ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個電子設備的無線網(wǎng)。它預言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術,到2007年將達到30億節(jié)點。具有幾十億個節(jié)點的網(wǎng)絡將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間,但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度,幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設計過程中,除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外,還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題,如端到端IP連接、服務質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此,將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft,其標準也不久將出臺。 
          2 ZigBee技術的優(yōu)勢及應用 
          2.1 ZigBee技術的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較 
            IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設計用來構(gòu)建包括恒溫裝置,安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設備的。這是由其主要技術優(yōu)勢決定的: 
            (1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒,專注于低傳輸應用。 
            (2) 功耗低:在低耗電待機模式下,兩節(jié)普通5號干電池可使用六個月到兩年,免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。 
            (3) 成本低:ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單,所以大大降低了成本。且免收專利費。 
            (4) 網(wǎng)絡容量大:每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個設備。 
            (5) 時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。 
            (6) 安全:ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能,采用AES-128加密算法。 
            (7) 有效范圍小:有效覆蓋范圍10~75米之間,具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 
            (8) 工作頻段靈活:使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國),均為免執(zhí)照頻段。 
            與之相反,藍牙技術基本上只是設計作為有線的替代品,經(jīng)常是為手機和附近的耳機或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周,但無法工作幾個月,更不用說幾年了; 
            一般情況下,藍牙設備需要人手配置和維護網(wǎng)絡連接;它可以用來有效地處理8個設備(一個主設備和7個從設備),如果更多的話,速率則顯著下降。 
            而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡的很好的解決方案,但它的功耗卻非常高。 
          2.2 可能應用及市場發(fā)展 
            ZigBee的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本,同時其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期,將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應式網(wǎng)路為主,提供感應辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應用。通常符合以下條件之一的應用,就可以考慮采用ZigBee技術: 
            (1) 設備成本很低,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小; 
            (2) 設備體積很小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊; 
            (3) 沒有充足的電力支持,只能使用一次性電池; 
            (4) 頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難; 
            (5) 需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡中的設備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制。 
            根據(jù)ZigBee Alliance的觀點,一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置: 
            (1) 空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動控制; 
            (2) 老年人與行動不便者的緊急呼叫器; 
            (3) 電視與音響的萬用遙控器, 無線鍵盤、滑鼠、搖桿,玩具; 
            (4) 煙霧偵測器; 
            (5) 智慧型標簽。 
            本文闡述了ZigBee技術及IEEE802.15.4標準及其相關應用,討論了它們的關系和相對其它技術的優(yōu)點,并對其在家庭無線通信網(wǎng)中的應用前景進行了分析和展望。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺,其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用,而不是技術本身。隨著正式版本協(xié)議的公布,更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應用的設計和實現(xiàn)、互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來,將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設備進入我們的生活,并將極大地改善我們的生活方式和體驗。 
          參考文獻 
          1 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunica-tions and information exchange 
            between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-
            Part15.4:Wireless Medium Acess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for 
            Low0Rate Wieless Personal Area Net-works(LR-WPANS) 
          2 韓旭東, 張春業(yè), 李 鵬. 傳感器無線互聯(lián)標準及實現(xiàn).電子技術應用,2004;11 
          3 中國ZigBee聯(lián)盟. ZigBee技術探析, 2004;8   
           


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