基于ZigBee的无线网络技术及其应用

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。

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。

1 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。

1.1 802．15．4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(如图1所示) 。



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。表1列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能。



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250kbps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的一些特点。  



1.2 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ad hoc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。