無線傳感網(wǎng)絡Zigbee技術研究

劉欽

[摘 要] 主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡技術的發(fā)展現(xiàn)狀、ZigBee技術規(guī)范。作為新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術，ZigBee已廣泛應用于工業(yè)控制，消費性電子，家電自動化，醫(yī)療監(jiān)控等領域，具有快速傳輸、穩(wěn)定可靠、可維護性好等特點。

[關鍵詞] 無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；無線通信

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 064

[中圖分類號] TN923 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）03- 0156- 02

0 緒 論

無線傳感器網(wǎng)絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景，是目前非?；钴S的一個領域。無線傳感器網(wǎng)絡由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點組成。這些傳感器節(jié)點集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網(wǎng)絡系統(tǒng)。不僅可以節(jié)省費用和時間，而且，改變溫濕度傳感器節(jié)點測量位置、增加或減少傳感器節(jié)點數(shù)目都非常方便。

1 概 述

1.1 論文研究的背景以及意義

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在檢測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域里檢測對象的信息，并發(fā)送給觀察者。

傳感器節(jié)點利用其內置的形式多樣的傳感器，測量所在周邊環(huán)境的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，檢測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現(xiàn)象。通過網(wǎng)關，傳感器網(wǎng)絡還可以連接到現(xiàn)有的網(wǎng)絡基礎設施上，從而將采集到的信息回傳給遠程的終端用戶使用。

1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

無線傳感器網(wǎng)絡的研究具有很強的試驗科學的特點。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)研究已經具有很長的歷史，利用已有的基礎化設施，為新的研究搭建大規(guī)模的物理試驗床（如組播應用研究的Mbone）和虛擬網(wǎng)絡試驗環(huán)境（如P2P研究的Plant Lab）相對比較容易。但無線傳感器網(wǎng)絡是一種全新的網(wǎng)絡技術，與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)差別較大，甚至網(wǎng)絡體系結構都將截然不同，因此無線傳感器網(wǎng)絡研究可繼承的資源也就十分有限，研制網(wǎng)絡節(jié)點，搭建一定規(guī)模的試驗床自然成了無線傳感器網(wǎng)絡研究初期的一個主要任務。到目前為止，已經出現(xiàn)了眾多節(jié)點試驗平臺。

2 本課題關鍵技術

2.1 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。采用了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點：省電、簡單、成本又低的規(guī)格；增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。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、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制等場合。ZigBee可使用的頻段有三個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段以及美國的915頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16，1，10個，在中國采用2.4 GHz頻段，是免申請和免使用費的頻率。由于工作周期較短，且采用休眠模式，收發(fā)信息功耗較低，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。由于對時延進行了優(yōu)化處理，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。ZigBee采用碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時隙，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高。中間訪問控制層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。ZigBee提供三級安全模式，使用接入控制清單，防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準（AES-128）的對稱密碼，以靈活地確定其安全性。

2.1.1 ZigBee協(xié)議架構

ZigBee協(xié)議是基于IEEE 802.15.4標準，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監(jiān)測和控制系統(tǒng)。這一協(xié)議標準由ZigBee聯(lián)盟維護。IEEE 802.15.4是ZigBee協(xié)議的底層標準，主要規(guī)范了物理層和MAC層的協(xié)議，其標準由國際電工學協(xié)會IEEE組織制定并推廣。ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250 kbps，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近的應用；ZigBee無線技術適合組建WPAN網(wǎng)絡，就是無線個人設備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸是非常適合的。在IEEE 802.15.4標準的基礎上，ZigBee定義了系統(tǒng)的高層，包括可采用的網(wǎng)絡結構、安全層、應用匯聚層和高層應用規(guī)范。ZigBee設備應該包括IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和媒質接入控制層（MAC），以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡層（NWK）、應用層和安全服務提供層。

PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估，以及通過物理媒體對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。MAC層的具體特征是信道接入、時隙管理、發(fā)送確認幀、發(fā)送連接及斷開連接請求，且為應用提供合適的安全機制方法。

IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制（LLC）和媒介訪問控制（ MAC）兩個子層。IEEE 802.15.4的MAC層采用了簡單靈活的協(xié)議，以保證低成本、易實現(xiàn)、低功耗等特點。IEEE 802.15.4的MAC子層支持多種邏輯鏈路層（LLC）標準，通過SSCS （Service-Specific Convergence Sublayer業(yè)務相關的匯聚子層）協(xié)議承載IEEE 802.2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4的MAC層的服務，MAC層與硬件聯(lián)系緊密，依賴于不同的物理層而實現(xiàn)。其中LLC在IEEE 802.6標準中定義，為IEEE 802標準所共用。IEEE 802.15.4的MAC層為了增加靈活性，支持64 bit的IEEE地址和16 bit的短地址兩類地址。

ZigBee網(wǎng)絡中所有設備都被分配以唯一的64 bit的IEEE地址，此地址的分配是動態(tài)的。16 bits的局部地址處理起來更方便，節(jié)約功耗。一旦網(wǎng)絡建立，可以使用短地址使網(wǎng)絡，可以支持超過65 000個節(jié)點。

網(wǎng)絡層通過使用MAC層提供的各種功能保證MAC層各種功能的正確執(zhí)行，完成建立和維護網(wǎng)絡的任務，并向應用層提供服務。網(wǎng)絡層內部在邏輯上有兩部分組成，即網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體（NLDE）和網(wǎng)絡層管理實體（NLME）。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體能夠通過訪問服務接入點提供數(shù)據(jù)服務；網(wǎng)絡管理層實體通過網(wǎng)絡層管理實體服務接入點提供網(wǎng)絡管理服務，網(wǎng)絡管理實體利用網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體完成網(wǎng)絡維護，并完成對網(wǎng)絡信息庫的維護和管理。

ZigBee應用層框架包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和用戶所定義的應用對象。應用支持子層的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。所謂綁定就是基于兩臺設備的服務與需求將它們匹配地連接起來。ZigBee設備對象（ZDO）的功能為定義設備在網(wǎng)絡中的作用（如是ZigBee協(xié)調器還是終端設備），發(fā)起和響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立安全機制。ZigBee設備對象還負責發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備，并且決定向它們提供何種應用服務。

2.1.2 ZigBee的技術參數(shù)及優(yōu)勢

ZigBee是為建立一種可靠的、高性價比的、低功耗的，可以實現(xiàn)監(jiān)測和控制的無線網(wǎng)絡而制定的，是一套完整的、開放的、全球統(tǒng)一的標準，是被全球公認的具有互操作性的解決方案，適用于家庭自動化與遠程控制領域，其主要技術參數(shù)如表1所示。

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