基于ZigBee的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)
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一、引言
近年來,各種無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展,極大提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。然而,在日常生活中,我們?nèi)匀槐桓鞣N電纜所束縛,能否在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)各種設(shè)備之間的無線通信?縱觀目前發(fā)展較成熟的幾大無線通信技術(shù),往往比較復(fù)雜,不但耗費較多資源,成本也比較高,并不適用于短距離無線通信的場合。藍牙技術(shù)的出現(xiàn)使得短距離無線通信成為可能,但是其協(xié)議較復(fù)雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)——ZigBee。該技術(shù)主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出,它能夠滿足小型化、低成本設(shè)備(如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、環(huán)境檢測傳感器等)的無線聯(lián)網(wǎng)要求,能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中。
二、ZigBee技術(shù)的特點及應(yīng)用
ZigBee技術(shù)主要用于無線個域網(wǎng)(WPAN),是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的。IEEE802.15.4定義了兩個底層,即物理層和媒體接入控制(MediaAccess Control,MAC)層;ZigBee聯(lián)盟則在IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月,該聯(lián)盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成,如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入,其目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和QoS(服務(wù)質(zhì)量)要求不高的無線通信應(yīng)用場合。
ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式:蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息,以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協(xié)議相比,ZigBee無線協(xié)議復(fù)雜性低、對資源要求少,主要有以下特點:
低功耗:這是ZigBee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機制,ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號干電池就可以工作六個月到兩年。
低成本:協(xié)議簡單且所需的存儲空間小,這極大降低了ZigBee的成本,每塊芯片的價格僅2美元,而且ZigBee協(xié)議是免專利費的。
時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延為30ms,休眠激活時延為15ms,活動設(shè)備信道接入時延為15ms。這樣一方面節(jié)省了能量消耗,另一方面更適用于對時延敏感的場合,例如一些應(yīng)用在工業(yè)上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息,以及安裝在廚房內(nèi)的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內(nèi)獲取信息并傳輸給網(wǎng)絡(luò)控制者,從而阻止火災(zāi)的發(fā)生。
傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯拢琙igBee節(jié)點的有效傳輸范圍一般為10-75m,能覆蓋普通的家庭和辦公場所。
數(shù)據(jù)傳輸速率低:2.4GHz頻段為250kb/s,915MHz頻段為40kb/s,868MHz頻段只有20kb/s。
數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎赯igBee采用了碰撞避免機制,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息,保證了節(jié)點之間傳輸信息的高可靠性。
ZigBee的出現(xiàn)將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷,它以其低功耗、低速率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢,適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有:
家庭和建筑物的自動化控制:照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠程控制以使其更加節(jié)能、便利,煙塵、有毒氣體探測器等可自動監(jiān)測異常事件以提高安全性;
消費性電子設(shè)備:電視、DVD、CD機等電器的遠程遙控(含ZigBee功能的手機就可以支持主要遙控器功能)。
PC外設(shè):無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等;
工業(yè)控制:利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易;
醫(yī)療設(shè)備控制:醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等;
交互式玩具。
三、ZigBee協(xié)議棧
ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)(圖1)是基于標準OSI七層模型的,包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層。
圖1 ZigBee協(xié)議棧
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準,分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩者均基于直接序列擴頻(DirectSequenceSpread Spectrum,DSSS) 技術(shù)。868MHz只有一個信道,傳輸速率為20kb/s;902MHz~928MHZ頻段有10個信道,信道間隔為2MHz,傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都采用BPSK調(diào)制。2.4GHz~2.4835 GHz頻段有16個信道,信道間隔為5MHz,能夠提供250kb/s的傳輸速率,采用O-QPSK調(diào)制。為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性,IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制(MAC)層采用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手協(xié)議。應(yīng)用匯聚層主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上,主要包括安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置
低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設(shè)備:全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。其中,F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信,而RFD只能和 FFD通信,RFD之間是無法通信的。RFD的應(yīng)用相對簡單,例如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中,它們只負責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點,并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。RFD占用資源少,需要的存儲容量也小,成本比較低。
在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,至少存在一個FFD充當(dāng)整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點,即PAN協(xié)調(diào)點,ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)點。一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只有一個PAN協(xié)調(diào)點。通常,PAN協(xié)調(diào)點是一個特殊的FFD,它具有較強大的功能,是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者,它負責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外,普通FFD也可以在它的個人操作空間(POS)中充當(dāng)協(xié)調(diào)點,但它仍然受PAN協(xié)調(diào)點的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點最多可連接255個節(jié)點,一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點。五、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有三種,星型網(wǎng)、網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)和混合網(wǎng)。
星型網(wǎng)(圖2-a)是由一個PAN協(xié)調(diào)點和一個或多個終端節(jié)點組成的。PAN協(xié)調(diào)點必須是FFD,它負責(zé)發(fā)起建立和管理整個網(wǎng)絡(luò),其它的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD,分布在PAN協(xié)調(diào)點的覆蓋范圍內(nèi),直接與PAN協(xié)調(diào)點進行通信。星型網(wǎng)通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。
Mesh網(wǎng)(圖2-b)一般是由若干個FFD連接在一起形成,它們之間是完全的對等通信,每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信。Mesh網(wǎng)中,一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的FFD節(jié)點作為PAN協(xié)調(diào)點。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò),具有“自恢復(fù)”能力,它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑,一旦一條路徑出現(xiàn)故障,則存在另一條或多條路徑可供選擇。
圖2 ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)
Mesh網(wǎng)可以通過FFD擴展網(wǎng)絡(luò),組成Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)(圖2-C)?;旌暇W(wǎng)中,終端節(jié)點采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點,再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點上傳到上一層網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點?;旌暇W(wǎng)都適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。
六、ZigBee組網(wǎng)技術(shù)
ZigBee中,只有PAN協(xié)調(diào)點可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBeePAN協(xié)調(diào)點希望建立一個新網(wǎng)絡(luò)時,首先掃描信道,尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡(luò)。如果找到了合適的信道,ZigBee協(xié)調(diào)點會為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN標識符(PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡(luò)的,因此所選的PAN標識符必須在信道中是唯一的)。一旦選定了PAN標識符,就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò),此后,如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)點掃描該信道,這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點就會響應(yīng)并聲明它的存在。另外,這個ZigBee協(xié)調(diào)點還會為自己選擇一個16bit網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都有一個 64bitIEEE擴展地址和一個16 bit網(wǎng)絡(luò)地址,其中,16bit的網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中是唯一的,也就是802.15.4中的MAC短地址。
ZigBee協(xié)調(diào)點選定了網(wǎng)絡(luò)地址后,就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個節(jié)點希望加入該網(wǎng)絡(luò)時,它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò),如果找到了一個網(wǎng)絡(luò),它就會進行關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò),只有具備路由功能的節(jié)點可以允許別的節(jié)點通過它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò),它可以進行孤立通知過程重新加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每個具備路由器功能的節(jié)點都維護一個路由表和一個路由發(fā)現(xiàn)表,它可以參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護,以及關(guān)聯(lián)其它節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為三類:周期性數(shù)據(jù),例如傳感器網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應(yīng)用而確定;間歇性數(shù)據(jù),例如電燈開關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或者外部激勵而確定;反復(fù)性的、反應(yīng)時間低的數(shù)據(jù),例如無線鼠標傳輸?shù)臄?shù)據(jù),這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率是根據(jù)時隙分配而確定的。為了降低ZigBee節(jié)點的平均功耗,ZigBee節(jié)點有激活和睡眠兩種狀態(tài),只有當(dāng)兩個節(jié)點都處于激活狀態(tài)才能完成數(shù)據(jù)的傳輸。在有信標的網(wǎng)絡(luò)中,ZigBee協(xié)調(diào)點通過定期地廣播信標為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供同步;在無信標的網(wǎng)絡(luò)中,終端節(jié)點定期睡眠,定期醒來,除終端節(jié)點以外的節(jié)點要保證始終處于激活狀態(tài),終端節(jié)點醒來后會主動詢問它的協(xié)調(diào)點是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給它。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)點負責(zé)緩存要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點的數(shù)據(jù)包。
七、結(jié)束語
ZigBee技術(shù)還在不斷完善,它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術(shù)優(yōu)勢,使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi),每個家庭將擁有50個ZigBee器件,最后將達到每個家庭150個。相信在不久的將來,基于ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品會走進全球每家每戶,在提高我們的生活質(zhì)量方面作出突出的貢獻。