ZigBee 無線傳感器網絡的研究與應用

朱振立,李軍廷

（河北省公安消防總隊，050000）

0 引言

當今的電子信息技術正在飛速的發展，對于無線信息技術則提出了更高的要求，同時對于其信息的發展也帶來了新的挑戰。無線傳感器網絡其主要是一種分布在監測區域內的微型傳感器節點，其主要是以一種無線通信的方式來形成一個自主網絡，然后再對相應采集的信息進行處理，并且將所處理的信息放在一個協調器上，通過感知的參數來發給觀測者。無線傳感器在網絡領域的應用上存在著很大的潛在價值，給人類的生產和發展帶來了深遠的影響，對其進行合理的使用，可以給人類帶來巨大的社會效益和經濟效益。因此本文就ZigBee 無線傳感器進行研究，從其主要的概念、技術的安全性以及無線網絡的構建進行研究，以此來實現對無線網絡的認識與應用。

1 ZigBee 技術基本信息探究

ZigBee 技術其實是一種應用軟件、安全和組網的技術標準，其開發主要是基于IEEE 的批準，然后根據特定（802.15.4）的無線標準進行研發。對ZigBee 技術進行研究的聯盟進行了相應的API 和網絡協議的規范，使得通過相應的安全協議可以直接連到基本的節點之中，或者是成為路由器的協調器，這些協調器之間形成一個網絡，而對于路由器傳輸數目沒有明確的限制，但是形成ZigBee 的完整協議通常分為應用會聚層、應用規范、網絡層、物理層以及數據鏈路層。ZigBee技術其具有獨特的優勢，不僅可以實現無線通信的低功耗、低成本以及低速率，而且其信息傳輸的便捷性使得此項技術被廣泛使用。ZigBee 技術其適用于小范圍內的無線通信領域控制，其在樓宇的自動化、家居控制以及工業的自動化上都有廣泛的應。

2 ZigBee 技術優勢詳細分析

2.1 ZigBee 低速率優勢概述

由于ZigBee 存在著不同的工作頻段，因此在這些不同的工作頻段的傳輸上其速度也會不同，在868MHz 頻段的傳輸上有1 個速率為20kbps 的信道，而在915MHz 的頻段傳輸上其存在著10 個速率為40kbps 的信道，而在2.4GHz 的頻段上其存在著16 個速率為250kbps 的信道。所以ZigBee 技術的數據傳輸其由于頻段的不同速度也不盡相同，而且其能量的消耗以及傳遞效率來也會與其傳輸的速度不同而發生變化。

2.2 ZigBee 信息數據傳輸的低功耗優勢概述

由于在數據在ZigBee 技術下進行傳輸，其速率很低而且傳輸量也很小，而且其信號的收發時間短，但是在非工作的模式下ZigBee 的節點進入休眠模式。整個ZigBee 信息在休眠激活、搜索、信道接入上其時間很短，因此其節電很明顯。

2.3 ZigBee 信息數據傳輸安全可靠優勢探究

ZigBee 的協議棧通過媒介質接入到控制層，其接入的算法則是根據載波的偵聽和沖突的檢測實現，ZigBee 進行數據傳輸的時候為避免在傳輸的時候數據信息出現沖突和競爭而在固定寬帶通信業務中預留出專用的時隙。通過控制層來實現數據傳輸模式的確認，那么則要求在進行數據傳輸的時候，要根據所發出的數據包進行等待和確認，以此來建立其有效的傳輸模式，從而實現ZigBee 數據傳輸。

3 ZigBee 的協議棧相關研究

ZigBee 的協議棧中其主要是通過層的量化來對整個標準進行簡化，而每個層負責完成所規定的任務還要向上層提供相應的服務，通過建立起相應的協議棧來為邏輯鏈路提供服務，而構成ZigBee 的協議棧主要是由媒體接入控制層、物理層、網絡安全、應用框架構成層，下面就ZigBee 的協議棧規范進行概述。

3.1 媒體接入控制層規范ZigBee 協議棧

ZigBee 中的媒介接入層主要是應用標準的802.15.4 進行MAC 層的協議規范，而MAC 則是對所有的物理層的信道進行接入從而實現數據處理。根據接入的服務不同來提供不同的MAC 服務，其主要的工作原理則是通過接入公共部分的分子層來提供數據服務，從而實現接入點的服務管理。MAC 的數據服務主要實現數據的傳輸服務，通過提供一個接口來為上層協議和物理層數據傳輸，從而實現數據的接收、發送、清理MAC 事務序列表等數據服務。

3.2 物理層規范ZigBee 協議棧研究

在ZigBee 協議棧的物理層主要是對信號的調制方式、工作頻率以及傳輸速率進行控制，而且還為上層和物理層提供服務。由于ZigBee 技術在不同的地區和國家之間的工作頻率的范圍不盡相同，其整個協議的規范主要以IEEE 為基礎的標準來實現，從而實現了不同頻率范圍的調制方式出現不同，因此其數據的傳輸也不盡相同。

3.3 網絡安全層規范ZigBee 協議棧研究

由于網絡安全一直是網絡研究的重點，而ZigBee 的協議安全控制整個MAC 層的安全性，確保整個MAC 層的響應幀、命令幀和信標幀的安全性，單條的數據報文的安全性是由MAC 進行安全的直接控制，而多條報文則是依據網絡層來控制其安全性。ZigBee 無線傳感器中的MAC 層被一種高級的加密算法所控制，其主要是實現MAC 的安全性、真實性和一致性。

4 ZigBee 技術應用的相關探究

ZigBee 技術在應用的時候，根據其具有的優勢以及特點來進行應用研究。由于ZigBee 技術主要是運用到對于數據傳輸速率要求不高的短距離傳輸，通常情況下比較適合家用的小型電子設備之間的無線數據傳輸，ZigBee 技術在進行數據傳輸類型研究上其具有典型的周期性，通常ZigBee 技術主要可以運用到工業領域、精細農業、醫學領域等，而且在其他的領域也具有很大的發展前景。在工業領域的應用其主要是利用ZigBee 與傳感器構成的網絡形成分布式的數據采集，使得對于傳輸數據的分析和處理更加簡潔，因此此項功能能夠成為決策輔助系統的重要組成部分。

由于當前的無線傳感器在網絡領域的應用上存在著很大的潛在價值，積極的推動著人類的生產和發展并且還產生了深遠的影響，因此對其進行合理的使用，可以給人類發展帶來巨大的社會和經濟效益，當前所使用的ZigBee 技術具有其獨特的優勢，其信息數據的處理上所具有的特點使得在當前的通信發展上具有重要的意義，因此本文就相關的ZigBee 技術進行探討，以此來對ZigBee 在無線傳感器網絡上的應用與研究進行探究，希望相關研究可以帶給從事無線傳感器網絡研究同仁以借鑒。

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