基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　一、引言　　　　

　　長期以來，低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的無線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高?！　　　?br /> 　　
　　一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。 　　

　　二、IEEE 802.15.4和ZigBee介紹　　　　

　　IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象?！　　　?/p>

　　2.1 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)　　　　

　　IEEE802.15.4滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。

　　IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個(gè)頻段上無線信號(hào)傳播損耗較小因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。 　　

　　2.2 ZigBee技術(shù)概述　　　　

　　ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得?！　　　?/p>

　　完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)?！　　　?/p>

　　應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：　　　　

　?。?）安全與鑒權(quán)；　　　　

　?。?）多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚；　　　　
　　
　?。?）設(shè)備發(fā)現(xiàn)；　　　　

　?。?）業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)?！　　　?/p>

　　網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能：　　　　

　?。?）通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全；　　　　
　　（2）同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電；　　　　

　?。?）有自組織、自維護(hù)功能，以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本?！　　　?/p>

　　相對(duì)于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計(jì)：　　　　

　?。?）8位處理器，如80c51；　　　　

　　（2）協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM；　　　　

　?。?）最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM；　　　　

　　（4）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。　　　　

　　2.3 整個(gè)協(xié)議構(gòu)架　　　　

　　在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定，其中實(shí)體層、MAC層、資料鏈結(jié)層，以及傳輸過程中的資料加密機(jī)制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo)，并共同針對(duì)ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進(jìn)行研討，而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求，為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用介面（如圖二所示）： 　

　　2.4 IPV6 Over 802.15.4 　　　　

　　ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)，到2007年將達(dá)到30億節(jié)點(diǎn)。具有幾十億個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實(shí)際可為整個(gè)地球的每平方米面積分配1000多個(gè)地址。IPv6在設(shè)計(jì)過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、安全性、多播、移動(dòng)性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft，其標(biāo)準(zhǔn)也不久將出臺(tái)。