基于ZigBee技術(shù)的無線通信淺析

丁國明

摘要：ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的短距離無線通信技術(shù)，可嵌入到各類控制裝置、傳感器、消費性電子設(shè)備中，支持小范圍內(nèi)基于無線通信的控制和自動化，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、交通、家居、消費等領(lǐng)域。該文基于對ZigBee技術(shù)特點和ZigBee協(xié)議架構(gòu)介紹，分析ZigBee技術(shù)在無線通信中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù);無線通信;應(yīng)用

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0022-02

Abstract：ZigBee technology is a short-range， low-power and low-cost wireless communication technology，it can be embedded in various control devices，sensors，consumer electronic devices， toys，support a small range of wireless communication based control and automation.Its widely used in industry， agriculture， medicine，transportation， household， consumption and other fields.Based on the introduction of ZigBee technology features and ZigBee protocol architecture， this paper analyzes the application of ZigBee technology in wireless communication。

Key words： ZigBee technology; wireless communication; application

ZigBee技術(shù)是一種基于IEE802.15.5協(xié)議，低功耗實現(xiàn)短距離信息傳輸?shù)臒o線通技術(shù)。ZigBee技術(shù)具有時延短、成本低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、安全性高、兼容性高、安全性高等特點。因此在市場上被廣泛應(yīng)用。

1 ZigBee協(xié)議的整體架構(gòu)

ZigBee協(xié)議遵循IEEE802.15.4協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，從下至上包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層四個層次，每個層完成其相應(yīng)的工作任務(wù)，并未協(xié)議棧的上一層提供服務(wù)。

1）物理層規(guī)范

物理層是ZigBee技術(shù)的物理連接層，其主要的工作內(nèi)容包括：管理數(shù)據(jù)傳輸和架空數(shù)據(jù)出錯率，從而使得物理層之上的MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層對ZigBee技術(shù)中的比特流傳輸透明。

具體而言，物理層規(guī)范的工作包括如下幾個方面：

（1）啟動和關(guān)閉RF數(shù)據(jù)收發(fā)器;

（2）選擇通信信道頻率;

（3）對網(wǎng)絡(luò)中的信道能量進行監(jiān)測;

（4）為CSMA/CA信道競爭策略提供空閑信道的評估結(jié)果;

（5）對所接受的數(shù)據(jù)進行質(zhì)量指示;

（6）接受和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包。

在ZigBee技術(shù)中，定義了2.6GHz、916MHz、868MHz三個物理層數(shù)據(jù)包格式君基于直接序列擴頻的頻道，三個頻道的區(qū)別主要在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)和傳輸速率。其中，2.6GHz是全球統(tǒng)一頻段，915MHz是美國國內(nèi)選用的頻段，868MHz是歐中所選用的頻段。

2）MAC層規(guī)范

MAC層規(guī)范煙用CSMA/CA技術(shù)，以保證數(shù)據(jù)安全性，和實現(xiàn)ZigBee技術(shù)與其他網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的兼容，方便ZigBee通信技術(shù)與其他網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。

具體而言， MAC層主要實現(xiàn)如下幾個方面的內(nèi)容：

（1）產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，以保證雙方通信;

（2）為ZigBee技術(shù)提供時隙保障;

（3）實現(xiàn)通信雙方的同步;

（4）支持設(shè)備的安全性;

（5）通過CSMA/CA競爭機制，實現(xiàn)多用戶的物理通信共享;

（6）支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消。

總之，MAC層的重要作用就是為通信雙方提供一條可靠的數(shù)據(jù)鏈路。MAC層為ZigBee協(xié)議棧的上一層提供的服務(wù)支持包括管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)兩類，其中管理服務(wù)是對MAC層協(xié)議相關(guān)信息進行存儲和管理;而數(shù)據(jù)服務(wù)用以保證MAC層為上一層提供的數(shù)據(jù)準確性。

3）網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范

ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層包含了ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的鄰居設(shè)備節(jié)點，其主要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連接和通斷機制，網(wǎng)路設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)交和維護，以及提供網(wǎng)絡(luò)安全機制。

具體而言，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的主要實現(xiàn)如下幾個方面的內(nèi)容：

（1）在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時，加入?yún)f(xié)調(diào)器，建立ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)新設(shè)備參數(shù)配置;

（2）發(fā)現(xiàn)和記錄網(wǎng)絡(luò)鄰居節(jié)點;

（3）支持新ZigBee通信節(jié)點的動態(tài)接入，并為其動態(tài)分配網(wǎng)絡(luò)地址;

（4）提供ZigBee通信節(jié)點與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連接或斷開功能;

（5）設(shè)置接收器的接收時間和狀態(tài)，以確保MAC層數(shù)據(jù)的接收和同步正常;

（6）在接收數(shù)據(jù)時，網(wǎng)絡(luò)對MAC層提供的數(shù)據(jù)包進行解析，獲取網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)部分;

（7）提供數(shù)據(jù)包路由功能，若ZigBee節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)包傳輸?shù)哪繕斯?jié)點，則接收數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進行處理;否則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的鄰居節(jié)點信息表，進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)層為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)，連接了ZigBee的MAC層和應(yīng)用層之間。

4）ZigBee應(yīng)用層規(guī)范

ZigBee應(yīng)用層分為設(shè)備、應(yīng)用框架和應(yīng)用支持三個子層， 三個子層一起為基于ZigBee通信的各種應(yīng)用軟件提供數(shù)據(jù)傳輸接口。

（1）ZigBee設(shè)備對象

設(shè)備對位于應(yīng)用框架子層與應(yīng)用支撐子層之間，為應(yīng)用支持子層、應(yīng)用對象提供統(tǒng)一的通信接口。ZigBee設(shè)別對象所提供的功能包括如下幾個方面。

① 安全服務(wù)的提供者、對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的初始化操作。

② 在無信標的網(wǎng)絡(luò)中，新加入的節(jié)點只可對其父節(jié)點可見，而其他的節(jié)點可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)來發(fā)現(xiàn)新加入的節(jié)點。

③ 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護。

④ 創(chuàng)建和傳輸安全密鑰，完成安全授權(quán)。

⑤ 對于路由器和協(xié)調(diào)器，提供綁定信息、獲取路由、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等節(jié)點管理功能。

⑥ 綁定功能的管理，確定綁定表的大小，以及發(fā)起和解除綁定。

（2）應(yīng)用框架

應(yīng)用框架為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備提供了活動的環(huán)境，并且為每一個設(shè)備提供MSG服務(wù)和KVP服務(wù)。

（3）應(yīng)用支持子層

應(yīng)用支持子層是應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層之間的接口，其功能包括：

①應(yīng)用層數(shù)據(jù)單元的處理。

②提供網(wǎng)絡(luò)中兩個或者兩個以上應(yīng)用實體之間的數(shù)據(jù)通信。

③維護管理對象數(shù)據(jù)庫，為應(yīng)用對象提供多種對象管理數(shù)據(jù)庫。

2 總結(jié)

ZigBee技術(shù)具備無線快速組網(wǎng)、性能良好、功耗較低等優(yōu)點，同時具備不需要布線、硬件成本以及具有較高的靈活性和可擴展性的強大優(yōu)勢，基于ZigBee技術(shù)建立的無線通信網(wǎng)絡(luò)能夠很好的滿足工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)學(xué)、家居與消費等領(lǐng)域的需求，對無線通信的研究和推廣具有理論和現(xiàn)實意義。

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