ZigBee无线通信技术及其应用研究

1、ZigBee无线通信技术及其应用研刘 刚（030120579 机硕121）（机械与动力工程学院 化工过程机械）摘要：介绍了ZigBee协议的标准、特点,描述了ZigBee的技术支持,分析了ZigBee的相关应用领域,讨论了应用设计中的共性问题,结合应用例子给出了硬件和软件的设计过程,并通过现场实验验证了无线通信的准确性和可靠性。关键词：无线通信；协议；解决方案；应用0 引言网络和通信技术的发展,使人们对无线通信的需求越来越高,短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。目前一种新的无线通信技术引起了人们的关注,这就是所谓的“ZigBee”技术。ZigBee这个名字来源于蜂群使用的赖以生存的

2、通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。有了ZigBee这种低速率通信技术,其所支持的应用将更贴近人们的日常生活,满足工业、家居、医学等用途的低功耗和低成本需求。本文就IEEE802.15.4标准及其所具备的可靠性和低功耗特点、ZigBee技术及其软硬件支持、以及应用开发等方面的问题进行探讨。1 ZigBee技术及其特征1.1ZigBee技术的原理ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4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13。适合于承载

3、数据流量较小的业务,可以嵌入各种设备,同时支持地理定位功能。与ZigBee兼容的设备有着网状的拓扑结构,这可大大延伸单个节点的传输范围,其目标市场瞄准工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本的无线通信应用。图1为ZigBee无线通信协议的结构和分工。1.1.1 物理层IEEE802.15.4标准在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求,采用的工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz等3种,各频段可使用的信道分别有16、10、1个,各自提供250Kbps、40Kbps和20Kbps之传输速率,其传输范围介于10100m之间。图1ZigBee的结构和分工Fig.1Struc

4、tureandthefunctionoftheZigBee为避免被干扰,在各个频段皆采用直接序列扩频(DSSS)技术,以化整为零方式将一个信号分为多个信号,再经由编码方式传送信号以避免干扰,这对大部分较低端的实现来说,直接序列的应用可使模拟电路变得简单,具有更高的容错性能。1.1.2媒体存取控制层IEEE802.15.4标准在媒体存取控制(MAC)层方面,主要沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMACA方式,以提高系统兼容性。这种MAC层的设计,不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单,还可以实现非常有效的功耗管理。当然,IEEE802.15.4标准仅处理MAC层和物理层

5、协议；而由ZigBee联盟所主导的ZigBee标准,定义了网络层、安全层、应用层和各种应用产品的资料或行规,并对其网络层协议和应用编程接口(API)进行了标准化。1.1.3 网络层网络功能是ZigBee的重要特点,也是与其他无线局域网标准的不同之处。在网络层方面,其主要工作在于负责网络机制的建立与管理,并具有自我组态与自我修复功能。在网络层中,ZigBee定义了3种角色：第1个是网络协调器,负责网络的建立,以及网络位置的分配；第2个是路由器,主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径,并负责转送信息包；第3个是末端装置,只能选择加入他人已经形成的网络,可以收发信息,但不能转发信息,不具备路由功

6、能。通常,网络协调器和路由器由全功能装置(FFD)实现,而末端装置由简化功能装置(RFD)实现。在组网方式上,ZigBee主要采用图2所示的3种组网方式：其一为主从结构的星型网,它需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置；其二为簇状形网,它可以是扩展的单个星型网或互连多个星型网络；其三为网状网(Mesh)，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据ADhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。图23种网络拓扑架构Fig.2ThreenetworktopologystructureCoordinator;Router;Enddevice1.1.4 应用层对于应用层，

7、主要有3个部分：与网络层连接的应用支持(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)以及装置应用行规。ZigBee的应用层架构，最重要的是已涵盖了服务的观念。对于ZigBee装置而言，当加入到一个个人无线局域网(WPAN)后，应用层的ZDO会发起一系列初始化动作，先通过APS进行装置搜寻及服务搜寻，然后根据事先定义好的描述信息，将与其相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表中；之后，所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询装置的资料或行规。而装置应用行规则是根据不同的产品而设计出不同的描述信息、以及ZigBee各层协议的参数设定。1.1.5 安全层安全层并非单独独立的协议,ZigBee为其提供了一

8、套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE802.15.4标准的安全元素，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。另外，ZigBee联盟也负责ZigBee产品的互通性测试与认证规格的制定，让开发ZigBee产品的厂商有一个公开场合,能够互相测试互通性。而在认证部分,ZigBee联盟共定义了3种层级的认证，第1级认证PHY与MAC,与芯片厂有最直接的关系；第2级认证ZigBee协议栈(Z-Stack)；第3级认证ZigBee产品。只有通过第3级认证的产品才允许贴上ZigBee的标志，所以也称为ZigBee注册认证。1.2 ZigBee的特点和传输数据类型根据ZigBee的技术本

9、质,它所具有的特性包括：功耗低、时延短、实现简单;可靠度高；高度扩充性；装置、安装、维护的低成本；协议简单，国际通用；自配置。从IEEE802.15.4到ZigBee不难发现，这些标准的目的是希望以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和无线射频(RF)遥控等领域。在ZigBee网络中传输的数据分为3类：周期性数据,如传感器中传递的数据，数据速率可根据不同的应用定义；间断性数据,如控制电灯开关时传输的数据，数据速率是由应用或外部激励定义的；还有反复性的低反应时间的数据，如无线鼠标传输的数据,数据速率根据分配的时隙定义的。因此，凡是只需传递少量信息(如控制或是事件的信

10、息传递)，都是ZigBee容易发挥的战场。1.3 ZigBee网络的形成一个ZigBee网络的形成，必须由FFD率先担任网络协调器，由协调器进行扫描搜索，发现一个未用的最佳信道来建立网络；再让其他的FFD或是RFD加入这个网络。事实上，人们可根据装置在网络中的角色和功能,预先对其编制好程序。如协调器的功能是通过扫描搜索，发现一个未用的信道来组建一个网络；路由器的功能是通过扫描搜索，发现一个激活的信道并将其连接，然后允许其他装置连接；而末端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络中。2实现ZigBee无线通信的技术支持为了推动ZigBee技术的发展，众多公司共同成立了ZigBee联盟，并吸引了许

11、多IC设计、家电、通信装置、IP服务提供、玩具等厂商相继加入。ZigBee联盟负责制订网络层、安全管理、应用接口规范，其次亦肩负互通测试，目前已正式推出第1.0版规范。2.1 RF芯片在ZigBee联盟成员中，有不少是提供ZigBee解决方案的业者。在硬件部分，以RF芯片为代表性。通常，ZigBee的芯片架构是：由MAC处理封包，而由PHY接收和处理RF信号。至于ZigBee的系统架构，由于其传输速率低并只需做简易数据处理，故在其主机端只需搭配简单的8位处理器即可。在ZigBee芯片模块方面常有两种形式：一种是内含有RF、PHY与MAC的芯片(如CC2420、EM240、MC13192等)，另

12、一种是已整合有处理器内核的芯片(如CC2430、EM250等)。2.2 ZigBee协议套件ZigBee协议套件的基本需求包括：一个8位处理器；完整协议套件软件需要32K字节的ROM，而最小协议套件软件仅需要4K字节的ROM。作为网络主节点还需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的装置信息、数据包转发表、装置关联表、与安全有关的密钥存储等。目前,全球已有多家公司提供有ZigBee协议栈，其中以FigureWireless公司(FW)所设计的Z-Stack最富盛名。目前,ZigBee完全解决方案的提供者代表有：Chipcon公司的CC2420芯片+FW公司的Z-Stack，以及Freescale

13、公司的MC13193芯片+FW公司的Z-Stack，他们均已通过ZigBee联盟的第2级认证，被称为认证的黄金平台。2.3 开发平台ZigBee提供了一个标准化的网络和应用框架，开发人员可在此基础上建立应用而无须担忧连网和RF问题的烦扰。然而,单靠其自身,ZigBee标准化框架不能保证产品的顺利开发。为了创建兼容ZigBee的应用，不同供应商提供了各种各样的产品，包括RF收发器、微控制器、闪存、供应商专有的协议栈和应用开发工具，如Freescale公司提供的MC13193EVK、Chipcon公司提供的CC2420DBK和CC2430ZDKPro等，提供几乎全部开放的软件协议栈和硬件设计参考指

14、南，以方便用户开发。3适应的应用领域和应用研究3.1 适应的应用领域不管工业现场还是民用，无线代替有线已逐渐成为一种趋势,但对它们的可靠性和低功耗要求通常是比较高的。如在工业领域,ZigBee技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制，它也能够跟踪其他系统以实现预防性维护和性能监控;在家庭和楼宇自动化领域，易于进入、简单明了和廉价的安装成本已成为驱动居家和建筑商开发和应用无线技术的动因，未来的家庭将会有50150个支持ZigBee的模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、暖通系统、厨房器械和其他家电

15、产品中，通过ZigBee收集各种信息，传送到中央控制装置，或通过遥控达到远程控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度4。3.1.1 物流和仓储应用无线数传系统主要是服务于大型流程企业的物流和仓储。开发一种适合这类应用的无线传输技术是实现低成本、高可靠性的物流信息传输的一个重要环节。由ZigBee的网状(Mesh)拓扑结构可知,它的高可靠性、多路径的路由方式非常合理地解决了一般无线协议的距离短和易受干扰的问题。如现场行车的调度，由于行车现场的移动距离大于一般的无线通信协议点对点的范围，而且现场的钢结构又比较多，如何确保移动中的行车保持与控制台的

16、联系就显得特别重要。针对这种应用，可将ZigBee节点按图3所示的形式安装。由于整个行车的活动距离往往超过ZigBee的通信协议所能达到的距离，采用ZigBee的网状(Mesh)结构的网络拓扑，通过数据接力及动态路由的方式来满足整个系统的全范围通信有效及高可靠性的要求。如行车在初始位置时，可能出现的网络拓扑结构如图3所示。图3行车在初始位置时可能的网络拓扑结构Fig.3PossiblynetworktopologystructureofthetravelingcraneontheoriginallypositionCoordinator;Router;Movablenode 由于行车的移动，原

17、先节点之间的通信由于距离等因素的影响无法保证，即原先的ABC网络协调器的路径已经破坏，这要求源节点(路径发起节点)发出探测指令来寻找一条新的路径。由于行车的不断移动,整个ZigBee网络的拓扑结构和信息传输路径需要不断变化。ZigBee网络总是选择一条最佳路径来保证通信质量。这样，只要多放置几个节点，就能够实现整个物流和仓储系统无死角。3.1.2 家用抄表应用ZigBee的低功耗、低成本、高可靠、低传输速率等特点和无线传输方案，尤其适应无线智能“三表”的设计和无线“三表”的抄表系统应用。根据安装方式和使用范围的不同，ZigBee“三表”抄表系统可以选择图4示意的一种拓扑结构。由于这类应用都是通

18、过电池供电，所以功耗就成了重要问题。ZigBee提供的超帧和信标方式正好能有效地解决省电问题，这种方式相比传统的通过终端唤醒的方式响应快、功耗低。图4ZigBee抄表系统的拓扑结构Fig.4TopologystructureoftheZigBeeautorecordsystemMonitorstation;Collector;ZigBeemeter以水表为例,ZigBee无线抄表系统，可通过ZigBee无线接口方便地实现对分布在各个用户家中水表的用水信息进行集中抄表,并通过一个监控基站向计费站传送信息。3.2 ZigBee无线水表的设计下面结合ZigBee的家庭无线抄表应用，就水表的硬件设计和

19、通信软件开发问题作一简单介绍。3.2.1 硬件设计要实现水表的ZigBee无线网络,需要对水表设置ZigBee通信器件CC2420，其基本组成参见图5。ZigBee模块通过SPI总线与MCU接口，而水表的计数脉冲信号直接接入MCU。图5无线水表的组成框图Fig.5Blockdiagramofthewirelesswatermeter3.2.2 软件部分软件部分需要解决的问题包括：Z-Stack协议栈、ZigBee通信部分、水表信号采集部分、按键显示部分、串口通信部分等。(1)水表信号采集：由单片机对外部来自水表的脉冲信号进行计数，然后进行相应的处理即可。(2)Z-Stack协议栈：Chipco

20、n公司提供的有关ZigBee的协议栈开发平台，有关ZigBee的开发需要在OSAL操作系统上进行，它基于任务触发机制。凡需要执行一项任务，首先要编制任务服务程序，并设置好对应的触发事件。(3)ZigBee通信：基于ZigBee提供的两种通信方式，可根据需要采用绑定方式实现通信，也可以使用网络地址直接通信。3.2.3 通信软件开发一般来说，协议栈越深，开发工作越容易。一个提供从物理层、网络层、传输层直到ZigBee类的协议栈，将使开发人员不必理会网络的内在工作机理，从而允许他们集中精力于应用开发上。ZigBee的通信或数据传输，有关键值偶(KeyValuePair,KVP)和消息(MSG)两种模

21、式。前者是一种特殊的数据传输机制，由ZigBee规范定义，它允许应用程序传输一一对应的数据；后者类似于平常的一些数据帧。在Z-Stack中，可通过调用afFillAndSendMessage()函数来发送数据。下面给出的程序是采用KVP模式,实现两个节点之间数据无线通信5。首先，分别对发送方和接收方建立一个簇(Cluster)，其类型为KVP，包含有两个属性(Attribute)：一个输出、一个输入;还要为它们定义相应的类型和名字；然后设计好双方的行规(Profile)。从逻辑上建立了连接，接着就可以调用afFillAndSendMessage()函数来传输数据。 如果选用间接地址方式，那么数

22、据将发送到协调器。协调器在接收到这一消息后，通过查询绑定表来确定转发的节点在OSAL层。if(events&FLU-SEND-MSG-EVT)/Send message for a KVP cluster typeMonitor-SendKVP-din-datain(fluendpoint);/Setup to send message againosal-start-timer(FLU-SEND-MSG-EVT,FLU-SEND-MSG-TIMEOUT);Monitor-SendKVP-din-datain(fluendpoint)If(afFillAndSendMessage(&Flu-DstAddr,ep,MONITOR-DIN-CLUSTER-ID1,FRAMETYPE-KVP,&