新型、開放的無線互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee分析研究

摘 要：本文對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了簡介，分析了ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及其特性。

關(guān)鍵詞：無線互聯(lián)傳感器；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP212.9；TN929.5

無線互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通常用來進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對(duì)象的信息，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。主流的無線互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包括GPRS、藍(lán)牙、WI-FI等，而ZigBee作為一種新型、開放的無線互聯(lián)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有極大地開發(fā)應(yīng)用前景。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一項(xiàng)無線互聯(lián)互聯(lián)傳感技術(shù)，它的局域網(wǎng)協(xié)議基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，具有低功耗、短距離、低速率等特性。ZigBee技術(shù)主要用來進(jìn)行自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制等，如居家智能、無線測繪、交通控制等。其技術(shù)復(fù)雜度不高，而且具有拓展性，可以聯(lián)接多種設(shè)備。簡單來說，ZigBee技術(shù)是一項(xiàng)簡單的、便宜的、低功耗的短距離無線通信技術(shù)。

2 ZigBee協(xié)議分析

ZigBee采用的是分層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它的協(xié)議棧從下到上分別是物理層（PHY）、數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中低層（PHY層和MAC層）需要遵循個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（LR-WPAN）的IEEE802.15.4無線通信標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2.1 物理層

PHY層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線信道等，在ZigBee協(xié)議棧中，PHY層對(duì)MAC子層與無線信道之間的接口進(jìn)行了定義，為其提供基于物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)（在無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)），以及管理服務(wù)（維護(hù)物理層的數(shù)據(jù)庫）。PHY層的數(shù)據(jù)服務(wù)主要包括五個(gè)方面：

（1）射頻收發(fā)器激活與休眠；（2）信道能量檢測（energy detect，ET）：ET主要是用來檢測目標(biāo)信道中接收信號(hào)的功率強(qiáng)度，包括有效信號(hào)的功率強(qiáng)度以及噪聲信號(hào)的功率強(qiáng)度，它不會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼。這一檢測結(jié)果，將為NWY層提供理論依據(jù)，以便其選擇合適的信道；（3）檢測接收數(shù)據(jù)包的質(zhì)量指示（Link quality indication，LQI）：LQI主要是用來指示無線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量信息，它需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，并生成一個(gè)信噪比指標(biāo)，最后將其與PHY層的數(shù)據(jù)單元一起發(fā)送到MAC層；（4）空閑信道評(píng)估（clear channel assessment，CCA）：CCA主要是用來評(píng)估信道的工作狀態(tài)，判斷其是否處于空閑狀態(tài)；（5）收發(fā)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)鏈路層

MAC層是PHY層的上一層，它對(duì)PHY層的傳輸原始比特流功能進(jìn)行了加強(qiáng)，對(duì)PHY層可能出錯(cuò)的物理連接進(jìn)行改造，使其成為符合邏輯的數(shù)據(jù)鏈路，從而為NWK層提供正確的線路。在ZigBee協(xié)議中，MAC子層的功能包括：（1）幀同步：由協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀，其它設(shè)備則根據(jù)信標(biāo)幀來自我調(diào)整，保持幀同步；（2）LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換時(shí)，為其提供關(guān)聯(lián)、取消關(guān)聯(lián)等操作支持；（3）為無線信道的通信提供安全保障；（4）為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，免去客戶出現(xiàn)信息丟失、信息干擾、信息亂序等的困擾；（5）使用CS-MA/CA機(jī)制訪問信道，并支持GTS機(jī)制。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

ZigBee協(xié)議棧的核心部分就是NWK層，它位于MAC層與APL層之間，對(duì)下保證MAC層的操作正確，對(duì)上提供APL層的服務(wù)接口。ZigBee的優(yōu)勢來自于它的組網(wǎng)能力，而它的組網(wǎng)能力就是通過NWK層來實(shí)現(xiàn)的，NWK層可以根據(jù)ZigBee的實(shí)際需要，將網(wǎng)絡(luò)組成星型、網(wǎng)狀型、簇狀型等。NWK層的主要功能包括：（1）搭建新的拓?fù)湫徒Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；（2）負(fù)責(zé)設(shè)備加入或退出網(wǎng)絡(luò)；（3）為數(shù)據(jù)幀提供安全的路徑；（4）根據(jù)需求為設(shè)備分配地址；（5）協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備的幀同步。

2.4 應(yīng)用層

APL層主要包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）、應(yīng)用框架（AF）。

（1）APS層為應(yīng)用程序提供ZigBee端點(diǎn)接口，應(yīng)用程序可以利用APS層來對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行打開/關(guān)閉操作，同時(shí)APS層也負(fù)責(zé)為設(shè)備提供匹配的服務(wù)，保障設(shè)備之間信息傳送的安全；（2）ZDO作為基于ZigBee協(xié)議的特殊設(shè)備對(duì)象，它在ZigBee協(xié)調(diào)器上運(yùn)行時(shí)，能夠?yàn)槠渌O(shè)備提供綁定服務(wù)，如遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理器、設(shè)備管理器等可以將特殊綁定請(qǐng)求發(fā)送給ZDO，ZDO為其提供綁定服務(wù)，根據(jù)需求對(duì)綁定表項(xiàng)進(jìn)行創(chuàng)建/修改等。

3 ZigBee特性分析

ZigBee是一種低速率的短距離無線通信技術(shù)，它具有以下特性：

3.1 低功耗

在待機(jī)模式下，GPRS的電池壽命約為1-7天，藍(lán)牙的電池壽命約為1-14天，WI-FI的電池壽命只有3-12小時(shí)，而ZigBee的電池壽命卻長達(dá)6-36個(gè)月，具有非常明顯的優(yōu)勢，功耗極低。

3.2 短距離

ZigBee的正常傳輸范圍（相鄰節(jié)點(diǎn)間距）為10-100m之間，加強(qiáng)設(shè)備的發(fā)射功率，可以將傳輸范圍擴(kuò)大至1-3km，如果利用路由器接力，或者節(jié)點(diǎn)間的信息傳遞，可以將傳輸距離輻射的更遠(yuǎn)。

3.3 低速率

ZigBee的正常工作速率為20-250kbps之間，可以根據(jù)不同的頻率提供三種不同的速率：868MHz下的速率為20kbps，915MHz下的速率為40kbps，2.4GHz下的速率為250kbps。

3.4 低成本

ZigBee的協(xié)議進(jìn)行了大幅度地簡化，甚至不到藍(lán)牙協(xié)議的十分之一，降低了對(duì)通信控制器的配置要求，同時(shí)ZigBee協(xié)議是開放的，不需要額外支付專利費(fèi)，每塊ZigBee芯片的價(jià)格僅需2美元左右。

3.5 高容量

ZigBee可以組成星型、網(wǎng)狀型、簇狀型等三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得ZigBee的一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，而APL層又可以控制最多254個(gè)主節(jié)點(diǎn)，如此一來就形成了一張64516個(gè)節(jié)點(diǎn)的高容量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.6 短延時(shí)

ZigBee的延時(shí)時(shí)間極短，從睡眠狀態(tài)切到工作狀態(tài)只需要15ms，節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)只需要30ms，與ZigBee相比，藍(lán)牙、WI-FI至少需要3s以上才能完成工作狀態(tài)的切換以及連接入網(wǎng)。

3.7 高安全

ZigBee采用三級(jí)安全模式，一級(jí)為無安全設(shè)定；二級(jí)為訪問控制清單，可以防止非法獲取數(shù)據(jù)；三級(jí)為高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，可以設(shè)置對(duì)稱密碼。

4 結(jié)束語

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有十分廣闊的應(yīng)用前景，尤其是在布線困難、供電稀缺的地區(qū)，為通信提供了極大的便利。而比起其他的無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有低功耗、短距離、低成本、短延時(shí)、高安全等特性。

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作者簡介：易前旭（1991.09-），男，重慶人，本科，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。

作者單位：中南大學(xué)，長沙 410083