無線傳感網絡Zigbee技術研究

劉欽

[摘 要] 主要介紹了無線傳感網絡技術的發展現狀、ZigBee技術規范。作為新興的短距離、低功耗、低成本的無線通信技術，ZigBee已廣泛應用于工業控制，消費性電子，家電自動化，醫療監控等領域，具有快速傳輸、穩定可靠、可維護性好等特點。

[關鍵詞] 無線傳感器網絡；ZigBee；無線通信

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 064

[中圖分類號] TN923 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）03- 0156- 02

0 緒 論

無線傳感器網絡是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統，具有廣闊的應用前景，是目前非常活躍的一個領域。無線傳感器網絡由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數據處理功能的傳感器節點組成。這些傳感器節點集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊，它們通過無線信道相連，自組織地構成網絡系統。不僅可以節省費用和時間，而且，改變溫濕度傳感器節點測量位置、增加或減少傳感器節點數目都非常方便。

1 概 述

1.1 論文研究的背景以及意義

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在檢測區域內大量的微型傳感器節點通過無線電通信形成的一個多跳的自組織系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域里檢測對象的信息，并發送給觀察者。

傳感器節點利用其內置的形式多樣的傳感器，測量所在周邊環境的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號，檢測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多人們感興趣的物理現象。通過網關，傳感器網絡還可以連接到現有的網絡基礎設施上，從而將采集到的信息回傳給遠程的終端用戶使用。

1.2 研究現狀及發展趨勢

無線傳感器網絡的研究具有很強的試驗科學的特點。傳統的互聯網研究已經具有很長的歷史，利用已有的基礎化設施，為新的研究搭建大規模的物理試驗床（如組播應用研究的Mbone）和虛擬網絡試驗環境（如P2P研究的Plant Lab）相對比較容易。但無線傳感器網絡是一種全新的網絡技術，與傳統的互聯網差別較大，甚至網絡體系結構都將截然不同，因此無線傳感器網絡研究可繼承的資源也就十分有限，研制網絡節點，搭建一定規模的試驗床自然成了無線傳感器網絡研究初期的一個主要任務。到目前為止，已經出現了眾多節點試驗平臺。

2 本課題關鍵技術

2.1 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。采用了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點：省電、簡單、成本又低的規格；增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層。主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等場合。ZigBee可使用的頻段有三個，分別是2.4 GHz的ISM頻段、歐洲的868 MHz頻段以及美國的915頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16，1，10個，在中國采用2.4 GHz頻段，是免申請和免使用費的頻率。由于工作周期較短，且采用休眠模式，收發信息功耗較低，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。由于對時延進行了優化處理，通信時延和休眠狀態激活的時延都非常短。ZigBee采用碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留專用時隙，數據傳輸可靠性高。中間訪問控制層采用完全確認的數據傳輸機制，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息。ZigBee提供三級安全模式，使用接入控制清單，防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES-128）的對稱密碼，以靈活地確定其安全性。

2.1.1 ZigBee協議架構

ZigBee協議是基于IEEE 802.15.4標準，其目的是為了適用于低功耗，無線連接的監測和控制系統。這一協議標準由ZigBee聯盟維護。IEEE 802.15.4是ZigBee協議的底層標準，主要規范了物理層和MAC層的協議，其標準由國際電工學協會IEEE組織制定并推廣。ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數據傳輸，最大速率為250 kbps，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近的應用；ZigBee無線技術適合組建WPAN網絡，就是無線個人設備的聯網，對于數據采集和控制信號的傳輸是非常適合的。在IEEE 802.15.4標準的基礎上，ZigBee定義了系統的高層，包括可采用的網絡結構、安全層、應用匯聚層和高層應用規范。ZigBee設備應該包括IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和媒質接入控制層（MAC），以及ZigBee堆棧層：網絡層（NWK）、應用層和安全服務提供層。

PHY層的特征是啟動和關閉無線收發器，能量檢測、鏈路質量、信道選擇、清除信道評估，以及通過物理媒體對數據包進行發送和接收。MAC層的具體特征是信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送連接及斷開連接請求，且為應用提供合適的安全機制方法。

IEEE 802.15.4的數據鏈路層分成邏輯鏈路控制（LLC）和媒介訪問控制（ MAC）兩個子層。IEEE 802.15.4的MAC層采用了簡單靈活的協議，以保證低成本、易實現、低功耗等特點。IEEE 802.15.4的MAC子層支持多種邏輯鏈路層（LLC）標準，通過SSCS （Service-Specific Convergence Sublayer業務相關的匯聚子層）協議承載IEEE 802.2類型的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4的MAC層的服務，MAC層與硬件聯系緊密，依賴于不同的物理層而實現。其中LLC在IEEE 802.6標準中定義，為IEEE 802標準所共用。IEEE 802.15.4的MAC層為了增加靈活性，支持64 bit的IEEE地址和16 bit的短地址兩類地址。

ZigBee網絡中所有設備都被分配以唯一的64 bit的IEEE地址，此地址的分配是動態的。16 bits的局部地址處理起來更方便，節約功耗。一旦網絡建立，可以使用短地址使網絡，可以支持超過65 000個節點。

網絡層通過使用MAC層提供的各種功能保證MAC層各種功能的正確執行，完成建立和維護網絡的任務，并向應用層提供服務。網絡層內部在邏輯上有兩部分組成，即網絡層數據實體（NLDE）和網絡層管理實體（NLME）。網絡層數據實體能夠通過訪問服務接入點提供數據服務；網絡管理層實體通過網絡層管理實體服務接入點提供網絡管理服務，網絡管理實體利用網絡層數據實體完成網絡維護，并完成對網絡信息庫的維護和管理。

ZigBee應用層框架包括應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和用戶所定義的應用對象。應用支持子層的功能包括維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。所謂綁定就是基于兩臺設備的服務與需求將它們匹配地連接起來。ZigBee設備對象（ZDO）的功能為定義設備在網絡中的作用（如是ZigBee協調器還是終端設備），發起和響應綁定請求，在網絡設備之間建立安全機制。ZigBee設備對象還負責發現網絡中的設備，并且決定向它們提供何種應用服務。

2.1.2 ZigBee的技術參數及優勢

ZigBee是為建立一種可靠的、高性價比的、低功耗的，可以實現監測和控制的無線網絡而制定的，是一套完整的、開放的、全球統一的標準，是被全球公認的具有互操作性的解決方案，適用于家庭自動化與遠程控制領域，其主要技術參數如表1所示。

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