ZigBee技术及其应用

licheng521

摘要：随着无线网技术的发展，各种新型的无线网络技术也不断出现，红外、蓝牙、WiFi、WiMAX、ZigBee[1]等。其中ZigBee以其适用于工业应用、智能楼宇的特点而被广泛应用。本文介绍了ZigBee技术协议及其特点，并设计了基于ZigBee技术的无线网络。
ZigBee技术适用于短距离，低传输数据速率的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜜蜂使用的赖以生存和发展的通信方式[2]。蜜蜂通过跳ZigBee形状的舞蹈来通知发现食物的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。它结合了传感器技术、通信技术、控制技术多门技术。它的广泛应用极大的改善了人们的生活质量，同时也为工业上需要数据量小，距离近的应用提供了一种新的技术。
2 ZigBee协议
   完整的ZigBee协议由物理层、介质访问控制层、网络层、应用层组成，如图1所示。其中物理层、介质访问控制层由IEEE802.15.4定义、ZigBee联盟在其之上定义了网络层和应用层。

图1 ZigBee协议结构
   在物理层上，ZigBee使用了三个频段：在2.4GHz频段定义了16个速率为250kbit/s的信道，信道间隔为5MHz；在915MHz频段定义了 10个速率为40kbit/s的信道，信道间隔为2MHz；在868MHz频段定义了1个20kbit/s的信道[3]。
   ZigBee介质访问控制层的设计主要考虑尽可能地降低成本、易于实现、可靠的数据传输、短距离操作以及低功耗。定义了4种基本帧结构：数据帧、承载所有的数据；标志帧，供协商者使用；命令帧，用来处理MAC对等实体之间的控制传送；响应帧，确认帧的顺利传送。IEEE802.15.4还定义了一种可选的MAC层超帧结构，超帧结构包括活跃（Active）和非活跃（Inactive）两部分[4]。这种帧结构体现了IEEE802.15.4低功耗的一大特点，非活跃期的引入限制了设备之间收发信息的开通时间，在无数据传输时使设备处于休眠状态，从而大大节省了功耗开支。
  ZigBee联盟在IEEE802.15.4物理层、介质访问控制层的基础上，对网络层协议和应用程序接口（API）进行了标准化，并对安全层进行了二次开发。
3 ZigBee技术特点
    低功耗：由于可以采用待机休眠模式，因而功耗低。据估算，ZigBee设备仅靠2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。
低成本：ZigBee简单而紧凑的协议大大降低了对通信控制的要求，目前芯片的价格为20至40元，而且ZigBee免协议专利费。
   时延短：网络时延是指终端用户发出指令请求到其接收到应答信息所需要的时间。ZigBee网络针对通信对时延敏感的应用做了优化，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，终端接入网络只需要30ms，从休眠状体至激活和通信时延都较短。
   大容量：ZigBee可采用多种形状的网络结构如：星状、网状、簇状，最多可组成由65000个终端形成的大网。同一个ZigBee网络可最多容纳1个主设备和254个从设备。
   高可靠性：在可靠性方面，ZigBee从多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，MAC层具有应答重传功能，能够在一定程度上起到抵抗干扰和避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界侵袭，无法正常完成通信时，整个网络可以动态的切换到另一个相关工作信道上。
  高安全性：ZigBee技术实现了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128的加密算法，提供了三级安全模式，可灵活确定其安全属性，网络安全能够得到有效的保障[5]。
ZigBee的结点按功能强弱可划分为全功能设备FFD和精简功能设备RFD两大类。FFD结点具备控制器的功能，能够提供数据交换，可作为ZigBee网络的协调器、路由器、网络设备终端，能够与FFD、RFD进行数据交换和发送；RFD结点是ZigBee网络中的终端设备，电路简单智能与本网络中的FFD交换数据。终端设备加入ZigBee网络后才能接受或者发送数据。路由器必须加入ZigBee网络后才能发送、接受或者路由数据。
在一个ZigBee网络中有一个FFD作为该网络的协调器，负责维护整个网络的结点信息，ZigBee网络由协调器启动实现自组网功能。协调器主要完成网络初始化及网络的拓扑更新、传输网络信标、管理网络结点、存储网络结点信息，提供关联结点之间的路由信息、存储结点数据等[6]。还可以与其它ZigBee网络的协调器交换数据，通过各网络协调器的互相通信，得到覆盖范围更大，超过65000个结点的ZigBee网络。
4 基于ZigBee技术的应用
基于ZigBee有很多优点，许多公司开发了基于ZigBee的产品。使其应用在家庭领域，工业领域，交通领域[7]。
4.1家庭领域
ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、空调系统等产品中。例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备。
4.2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，以利用工厂整体信息。例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台流程控制，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境的控制。
4.3智能交通
如果公路上安装大量的ZigBee终端设备，你的车中也装有Zigbee设备。安装在汽车中的器件会告诉你，你当前所处的位置。ZigBee无线网络系统能够得到比GPS更多的信息。如限速，街道是单行线还是双行线，前面每条街道的交通情况或死狗信息等。你也可以跟踪公共交通情况。基于ZigBee技术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，追踪超速汽车或被盗汽车。
5 ZigBee系统的设计
    ZigBee网络由协调器、路由器、终端设备组成。协调器和路由器由FFD构成，终端设备由RFD构成[8]。终端设备一般由检测模块、嵌入式处理模块、无线传输模块、电源模块四部分组成。检测模块由不同类型的传感器组成如:温度传感器、湿度传感器、光亮度传感器、红外传感器等。嵌入式处理模块由不同外设的单片机构成，本文选自微芯公司的PIC单片机，其抗干扰能力强，很适合工业应用。无线传输模块选择TI公司的CC2430。CC2430是符合ZigBee标准的2.4GHz系统单芯片，它集成ZigBee射频前端、ROM和8051微控制器在一个芯片内，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络结点。设备集成度高、外围器件少、外形小，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。电源模块采用3V纽扣锂电池。结点硬件框图如图2所示。

                 图2 结点结构图
    PIC控制器通过IO接口与传感器检测模块相连接，输入到PIC单片机的AD转换模块。PIC通过SPI接口与CC2430模块相连接。电源模块分别给三个模块供电。
协调器与路由器与终端结点的结构相同，只是软件设计不同。
结点的软件包括终端数据采集、实现ZigBee协议栈以及无线通信软件。当一个终端结点在其高频覆盖范围内有一个网络协调器处于正常工作状态，其终端结点与该协调器同频时才可以申请加入当前的ZigBee网络。应用程序首先进行硬件及协议栈初始化，终端结点上电扫描网络中是否有协调器，如果协调器存在则自动应答终端结点。当终端收到应答信号后向协调器发送自己的64位物理地址，协调器收到此地址再给各个终端结点分配16位的网络地址，至此，终端结点加入ZigBee网络成功。
6结论
基于ZigBee技术的无线传感器网络成本低、功耗低、性能高．文中提出的ZigBee无线传感器网络的体系架构实现方案以及采用主流芯片模块搭建的节点结构，其在不同领域应用广泛。亲，麦斯艾姆科技有限公司最新大优惠了。
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