基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

　　長(zhǎng)期以來,低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下,嚴(yán)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(fù)責(zé)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(jì)、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(shù),用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(gè)傳感器傳到另一個(gè)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(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn),也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。
1 IEEE 802.15.4和ZigBee介紹
　　IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)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(kù)存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。
1.1 802．15．4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)
　　IEEE802．15．4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)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(luò)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn),通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。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(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束

　數(shù)據(jù)包的分段與重組 　確認(rèn)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(yàn)

　預(yù)留時(shí)隙管理

　廣播信息管理 52RD

　　IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn),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(kuò)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(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的ISM頻段,有助于ZigBee設(shè)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(shù)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(shí)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(guó)的ISM頻段,這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s,916MHz是40kb/s。這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802．15．4的一些特點(diǎn)。
表2 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)特征

　復(fù)雜程度 　比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)低 　通信時(shí)延 　≥15ms

　目的 　只支持?jǐn)?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(luò),對(duì)等網(wǎng)絡(luò) 　

　每個(gè)網(wǎng)絡(luò)
　支持節(jié)數(shù) 　65536 　尋址方式 　64bit IEEE地址,
　8bit網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用 　傳感器,玩具,
　控制領(lǐng)域… 52RD

1.2 ZigBee技術(shù)概述
　　ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的,有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議,ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)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(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn),而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)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(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí),而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。
　　完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定,IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。
　　應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上,具體而言包括:
　　(1) 安全與鑒權(quán);
　　(2) 多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚;
　　(3) 設(shè)備發(fā)現(xiàn);
　　(4) 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
　　網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,應(yīng)包含以下功能:
　　(1) 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù),命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù),包含了尋址、路由和安全;
　　(2) 同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣,非常省電;
　　(3) 有自組織、自維護(hù)功能,以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。
　　相對(duì)于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn),Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單,其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低,以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計(jì):
　　(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(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM,以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。
1.3 整個(gè)協(xié)議構(gòu)架
　　在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上,由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定,其中實(shí)體層、MAC層、資料鏈結(jié)層,以及傳輸過程中的資料加密機(jī)制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo),并共同針對(duì)ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進(jìn)行研討,而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求,為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用界面。ZigBee從802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開始著手,目前正在定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互對(duì)話的應(yīng)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(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù),到2007年將達(dá)到30億節(jié)點(diǎn)。具有幾十億個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)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(zhǎng)度,幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6實(shí)際可為整個(gè)地球的每平方米面積分配1000多個(gè)地址。IPv6在設(shè)計(jì)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(wù)質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)也不久將出臺(tái)。
2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用
2.1 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其與藍(lán)牙和Wi-Fi的比較
　　IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設(shè)計(jì)用來構(gòu)建包括恒溫裝置,安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(yīng)用。
　　(2) 功耗低:在低耗電待機(jī)模式下,兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用六個(gè)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。
　　(3) 成本低:ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn)單,所以大大降低了成本。且免收專利費(fèi)。
　　(4) 網(wǎng)絡(luò)容量大:每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。
　　(5) 時(shí)延短:通常時(shí)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(quán)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(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)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(guó)),均為免執(zhí)照頻段。
　　與之相反,藍(lán)牙技術(shù)基本上只是設(shè)計(jì)作為有線的替代品,經(jīng)常是為手機(jī)和附近的耳機(jī)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(gè)月,更不用說幾年了;
　　一般情況下,藍(lán)牙設(shè)備需要人手配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接;它可以用來有效地處理8個(gè)設(shè)備(一個(gè)主設(shè)備和7個(gè)從設(shè)備),如果更多的話,通訊速率則顯著下降。
　　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(luò)的很好的解決方案,但它的功耗卻非常高。
2.2 可能應(yīng)用及市場(chǎng)發(fā)展
　　ZigBee的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò),同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個(gè)月到數(shù)年的時(shí)間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期,將以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)路為主,提供感應(yīng)辨識(shí)、燈光與安全控制等功能,再逐漸將目前市場(chǎng)拓展至家庭中的應(yīng)用。通常符合以下條件之一的應(yīng)用,就可以考慮采用ZigBee技術(shù):
　　(1) 設(shè)備成本很低,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小;
　　(2) 設(shè)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(fù)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(luò)中的設(shè)備非常多,但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制。
　　根據(jù)ZigBee Alliance的觀點(diǎn),一般家庭可將ZigBee應(yīng)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(dòng)控制;
　　(2) 老年人與行動(dòng)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(cè)器;
　　(5) 智慧型標(biāo)簽。
　　本文闡述了ZigBee技術(shù)及IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)應(yīng)用,討論了它們的關(guān)系和相對(duì)其它技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),并對(duì)其在家庭無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析和展望。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無線通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)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(yīng)用的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面。我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來,將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入我們的生活,并將極大地改善我們的生活方式和體驗(yàn)。
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