《ZigBee无线通信网络技术》

ZigBee无线通信网络技术xxx（xxx大学xxx学院辽宁葫芦岛125000）摘要：ZigBee技术是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，采用IEEES02．15．4标准的协议。ZitgBee由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势，逐渐成为无线传感器网络的首选通信协议。关键词：ZigBee技术；IEEES02．15．4；低功耗；低成本ZigBeewirelesscommunicationnetworktechnologyZhangXiaoqi(LiaoningTechnicalUniversity;Electricalandcontrolcollege;Huludao,Liaoning125000)Abstract:ZigBeetechnologyisanewshortdistance,lowcomplexity,lowpowerconsumption,lowdatarate,lowcostwirelessnetworktechnology,itbasedontheIEEES02.15.4standardprotocol.Duetoitsadvantagesoflowpowerconsumption,lowcomplexityandself-organization,ZitgBeehasgraduallybecomethepreferredcommunicationprotocolinwirelesssensornetworks.Keyword:ZigBeetechnology;IEEES02．15．4;lowpowerconsumption;lowcost0引言ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。1ZigBee技术概述1.1ZigBee协议栈ZigBee协议栈分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)，在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)，每一层为上一层都提供服务:“数据实体”提供数据传输服务、“管理实体”提供管理控制服务。1.2ZigBee网络的各种设备ZigBee网络中，支持两种类型的物理设备——全功能设备：支持任何拓扑结构,可以成为网络协调器,能和任何设备通信；精简功能设备：只能和网络协调器通信，不能成为网络协调器，实现非常简单。ZigBee协议ZigBee网络通常有三种设备——协调器：路由器和终端节点。网络协调器是三种设备类型中最复杂的一个，主要功能为建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息等，是全功能设备；路由器:负责将申请加入网络的新的ZigBee终端节点添加到网络拓扑中,然后对新加入的节点进行管理和维护并和其他节点通信，是全功能设备；终端节点没有维护网络的能力，能轻易的与路由节点结合在一起，满足用户对一些数据测量的需是精简功能设备。1.3ZigBee网络的拓扑结构ZigBee网络主要有三种组网方式星型、树簇型和网状型。星型网络的数据和网络命令都是通过协调器传输，该网络结构简单，协调器需要承担较多的管理工作，网络的覆盖范围有限。若干个星形拓扑连接在一起可扩展到更广阔的区域，实现网络范围内“多跳”信息服务的拓扑结构；树簇形拓扑最值得注意的地方就是它保持了星形拓扑的简单性，较少的上层路由信息、较低的存储器需求，但是树形结构不能很好的适应外部的动态环境；网状型是一个自由设计的拓扑，具有很高的适应环境的能力。网络中的每个节点都是一个小的路由器都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性。2技术特点(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。(2)成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。(4)网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。(6)安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。在发射功率为0dBm的情况下，蓝牙通常能有10米的作用范围。而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米(TICC2530不加功率放大)。3发展现状3.1国内现状国内ZigBee的研究起步比较的晚，国内市场主要有国外一起占领。现状国内还未见成熟的自主研制的ZigBee产品,只是有一些研究性的和简单应用的文章出现在期刊杂志，但是随着无技术大趋势的发展，很多的高校和研究机构已经开始无线组网技术的研究和应用。像中科院计算所的宁波分所就在专业从事无线技术的研究，侧重于无线网络化的智能传感器，计算所自主开发出了低功耗的CPU、多点网络动态组网拓扑协议、网络节点管理软件。国内的一些个大学，如山东大学、浙江大学也在进行ZigBee组网和应用的研究，利用国外的厂商的开发平台和芯片创建ZigBee网络，并且应用在智能家居、物流管理方面。相信随着无线技术的研究的深入，将有更多的国产的ZigBee产品。3.2国外现状国外对此技术研究较早，技术也更为成熟，ZigBee联盟成立于02份，为推动ZigBee技术的发展、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)。现如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其中包括有许多IC设计、家电、通讯设备、IP服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含超过150多家会员。4应用目标ZigBee主要是为自动化控制数据传输而建立，特别适合数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、不便频繁更换电池或充电的地方。因此，ZigBee将在环境监控电子设备、农业自动化、医用设备控制等领域有广阔的应用前景。例如，在野外进行环境指标测定中，利用ZigBee将散布在考察地段的所有探测器与CPU连接起来，采集到的数据传送到CPU进行处理；在医院智能监控系统里面，利用ZigBee进行系统组网；在医院已有的建筑环境下，尽量不改变建筑结构来组织网络，低成本的ZigBee适用于医院内布局复杂障碍物较多、电源供电限制严格等特点；通过各种传感器采集诸如土壤PH值、降水量等各种信息，以帮助农民及时发现问题，促使农业逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，等等。5发展前景随着我国物联网正进入发展的快车道，ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee，ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中，基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器，遇到险情时，可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决，而且，使用简单方便，可靠性高。据中国电信副总工程师靳东滨介绍，预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外，工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉，2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长，将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及，其产业规模将远超互联网。6结语新兴的短距离无线通信技术——ZigBee具有低成本、低功耗和低速率等特点，已经成为下一代网络技术的发展趋势，并具有广阔的应用场合和发展前景。但ZigBee协议栈还在不断升级，如何根据不同的需求设计高性能的ZigBee网络、如何将ZigBee网络与其他网络进行可靠连接从而达到功能互补等课题还需要进行进一步的探讨。参考文献：【1】李文仲.Zigbee无线网技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.【2】刘市生网络层的设计与实现[J].无线电工程,2008:55(58).【3】技术规范与协议栈分析[J].微型机与应用,2009:4(13).德州仪器.MSP430Ultra-Low-PowerMicrocontrollers.2010-11-25.【4】吴线。DIYZigBee无线传感器网络.