基于ZigBee的应用VIP

1、基于IEEE802.15.4规范的ZigBee无线网络技术【导读】IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。 一、 引言 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种

2、经济、高效、低数据速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 这么多年来，无线技术已经发展出很多不同的分支，应用于很多不同的领域。原本很多技术都只用于

3、消费电子通信，比如，CDMA/GPRS，WI-FI，Bluetooth等，然而现在，随着工业控制的需要，其中的某些无线技术也根据需要应用到了工业领域中。就好像下面将要介绍的ZigBee和GPRS技术一样。通过运用这些技术可以解决传统控制由于没有通讯功能，无法实现集中监控的问题，将运行维护人员从大量繁琐的工作中解放出来，大大减少了系统停用带来的不良影响。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小

4、的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 二、IEEE 802.15.4和ZigBee介绍 IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。 2.1 802.15.4协议架构及其技术特点 IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层，

5、表1中概括了802.15.4的一些特点： IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输

6、速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 表2中概括了802.15.4

7、的一些特点： 2.2 ZigBee技术概述 ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。 完

8、整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括： （1）安全与鉴权； （2）多个业务数据流的会聚； （3）设备发现； （4）业务发现。 网络层将主要考虑采用基于adhoc技术的网络协议，应包含以下功能： （1）通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全； （2）同IEEE802.15.4标准一样，非常省电； （3）有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维

9、护成本。 相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计： （1）8位处理器，如80c51； （2）协议套件软件需要32kbytes的ROM； （3）最小协议套件软件大约4kbytes的ROM； （4）网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 2.3 整个协议构架 在标准制定的分工上，由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组共同制定，其中实体层、MAC层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，并共同针

10、对ZigBee Protocol Stack的发展进行研讨，而未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用介面： 2.4 IPV6Over 802.15.4 ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术，到2007年将达到30亿节点。具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间，但是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。IPv6在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还

11、考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。因此，将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向,目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft，其标准也不久将出台。 2.5 ZigBee网络设备类型和网络结构 1). 网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最 大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 2). 全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能 装置（R

12、FD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 3). 精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。 ZigBee网络拓扑结构包括星形，网状形和蔟状形等，一般应用较广泛的是网状结构（如图2所示MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能： l 网络可以通过“多级跳”的方式来通信 l 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 l 网络还具备自组织、自愈功能 二、 ZigBee技术的优势及应用 3.1 ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较： IEEE 802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线

13、网络。这是由其主要技术优势决定的： 1数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。 2功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。 3成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。 4网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。 5时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。 6安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。 7有效范围小：有效覆盖范围1075米之间，具体依据实际发射

14、功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 8工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。 与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了； 一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备（一个主设备和7个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。 而802.11, 也被称作Wi-Fi也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非

15、常高。 3.2 ZigBee结合GPRS技术在工业监测系统中的应用案例 3.2.1 GPRS介绍 GPRS的英文全称为General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，采用包交换的好处是只有在有资料需要传送时才会占用频宽，而且可以以传输的资料量计价，这对用户来说是比较合理的计费方式，因为象Internet这类的数据传输大多数的时间频宽是间置的。 GPRS是一种新的GSM数据业

16、务，它在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线IP和X.25分组数据接入服务。GPRS采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接口上的TDMA帧中的8个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达164kbs。GSM空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被GPRS数据业务占用。当然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为GPRS专用信道。 3.2.2 GPRS优点 1)、瞬间上网 GPRS的用户一开机，就始终附着在GPRS网络上，每次使用时只需一个激活的过程，一般只需要2-3秒的时间马上就能登录至互联网，而固定拨号方式接入互联网需要拨号、验证用户

17、名密码、登录服务器等过程，至少需要10-15秒甚至更长的时间。 2)、永远在线 GPRS由于使用了“分组”的技术，用户上网可以免受断线的痛苦，因为GPRS是“永远在线”，就是只要用户的GPRS模块处于开机状态，就随时与移动GPRS网络保持联系。 3)、快速传输 GPRS采用分组交换的技术，无线网络的传输速率达到了56Kbps-114Kbps，但实际速度受到编码的限制和终端的限制可能会有所不同。只有同时启用8个信道进行GPRS传送时，用户使用GPRS技术进行数据传输时的速率才能达到114Kbps，而一般情况下传输速率为56Kbps左右。 4)、按量计费 GPRS技术是一种面向非连接的技术，用户只

18、有在真正收发数据时才需要保持与网络的连接，因此大大提高了无线资源的利用率。同时向“alwaysonline”的终端上网目标迈进了一步，使用了GPRS后，数据实现分组发送和接受，这同时意味着用户总是在线且按流量计费，迅速降低了服务成本。 2.3 Zigbee和GPRS结合实现远距离无线监测 ZigBee技术是新兴的无线技术，它其中一个重要的应用领域是工业控制与监测。虽然，运用扩频技术可是使ZigBee的传输距离延伸到1000米，可是对于想要达到远距离监控的要求还是满足不了，因此，GPRS的优势就体现出来了。 运用GPRS技术，可以使技术人员坐在远距离的办公室中也可以随时随地监视设备的运行情况。

19、图4为ZigBee结合GPRS技术在工业监控系统中的应用方案。 ZigBee模块分为终端节点和中心节点； 各个终端节点将数据透明传输至中心节点； 各个终端节点可以组成任意的网络结构，图中是网状结构； 中心节点通过GPRS网络与控制中心连接，将数据送入数据库； 若经过专家诊断系统诊断后发现数据异常，则向技术人员发出警报，技术人员可以根据警报采取及时的措施，降低损失。3. ZigBee的应用领域与市场发展 3.3可能应用及市场发展： ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术： 1设备成本很低，传输的数据量很小； 2设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 3没有充足的电力支持，只能使用一次性电池； 4频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难； 5需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。 根据ZigBee Alliance的观点，一般家庭可将ZigBee应用于以下装置： 1空调系统的温度控制器, 灯光、窗帘的自动控制； 2老年