基于ZigBee的无线网络技术及其应用图文精Word下载.docx

1、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。ZigBeeProfiles网络应用层数据链路层IEEE802.15.4LLC802.2I工CIEEE802.15.4MAC868/915PHY2400PHY图1IEEE802.15.4协议架构IEEE802.15.4的MAC层能支持多种U标准,通过SSCS（ServiceSpecific 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

2、列出了IEEE802.15.4的IJIJC层和MAC层主要功能。表1IEEE802.15.4的U层和MAC层主要功能U上子层的主要功能:mEE802.15.4的MAC协议主要功能:传输可靠性保障和控制设备间无线链路的建立、维护和结束数据包的分段与重组确认模式的帧传送与接收数据包的顺序传输信道接入控制帧校验预留时隙管理广播信息管理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

3、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附近各种无线通电子技术应用2005年第6期欢迎网上投稿 www.舶 1万方数据表2IEEE802.15.4标准的主要技术特征复杂程度比现有标准低通信时延15Ins目的只支持数据通信功耗约45仙s频段,数据率868MHz:20kbpB1MAC的控制方式及

4、信数925MHz:40kb西10星型网络,对等网络2.4GHz:250l【bp816每个网络65536寻址方式64bit IEEE地址,支持节数8bit网络地址连接层结构开放式温度一40一85传输范围室内:10m速率应用传感器,玩具, 250I【bps;+odBm控制领域室外:30m一75m速率40kbp8;300m速率,20kbps信设备的相互干扰。868M比的传输速率为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。1.2ZigB

5、ee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

6、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zig.Bee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。2本刊邮箱:eta相对于常见的无线通信标准,zigbe

7、e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:（18位处理器,如80c51;（2协议套件软件需要32kb忱s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。1.3整个协议构架在标准制定的分工上,由ZigBee A11i觚ce与IEEE802.15.4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,并共同针对ZigBeeProtocol Stack的发展进行研讨,而未来还能依系统客

8、户的需求,为不同应用修正其所需之应用界面。ZigBee从802.15.4标准开始着手,目前正在定义允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要。1.4IPV6Over802.15.4ZigBee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IP、r4的地址空间,但是ZigBee的路由选择不依赖于IP、r6。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

9、短缺问题以外,还考虑了在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V60verl5.4的D珊,其标准也不久将出台。2ZIgBee技术的优势及应用2.1ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和WiFi的比较IEEE802.15.4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,

10、两节普通5号干电池可使用六个月到两年,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电子技术应用2005年第6期万方数据专家论谈个设备。很困难;（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一128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

11、: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WiFi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,但它的功耗却非常高。2.2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

12、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（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 A1li肌ce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

13、;（2老年人与行动不便者的紧急呼叫器;（3电视与音响的万用遥控器,无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具;（4烟雾侦测器;（5智慧型标签。本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4标准及其相关应用,讨论了它们的关系和相对其它技术的优点,并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。zigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身。随着正式版本协议的公布,更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活,并将极大地改善

14、我们的生活方式和体验。参考文献1IEEE Standard for Inf0瑚ation TechlogrTeleco咖unications锄d infb加砒ion exchange between systemsLocal髓d me脚出阻嘶a networksSpec抵RequirementsP眦15.4: Wireles8Medium Aces8Contml（MACand Physical【丑yer（PHYSpecifications for LowORate Wieless Pe璐onal Are8Networks（LRWPANS2韩旭东,张春业,李鹏.传感器无线互联标准及实现.电子技术

15、应用,2004;113中国ZigBee联盟.ZigBee技术探析,2004;8（收稿日期:20041224XILINX解决方案支持未来可编程无线基站灵活的低成本解决方案满足“适应未来”的无线基站需求中国北京可编程解决方案全球领导供应商赛灵思公司（xiliIl】（,Inc.（NASDAQ:xLNx近日公布了专门为支持“适应未来”的可编程无线基站而设计的一整套芯片、软件和IP解决方案。赛灵思灵活经济的解决方案可以替代传统的ASIC（专用集成电路解决方案,通过加快产品上市速度、实现零沉没工程成本（E以及提供现场可升级能力,它可以大大降低资本支出（cAPEx和运营费用（oPEx。通过远程升级,服务供应

16、商可大大延长基站寿命,同时避免高昂的运输费用和硬件开发费用。例如,通过远程下载软件对赛灵思器件进行重新编程,即可轻松地实现错误修正、提供新的服务以及调整系统性能,从而满足新的需求。对于包含上万个基站的无线网络,运营商可大大节省运营费用,每次基础网络升级可节约至少1000万美元。请访问公司网站:www.】dlill】（.com/cn电子技术应用2005年第6期欢迎网上投稿www.aetnet.饥 3万方数据 基于ZigBee的无线网络技术及其应用作者:顾瑞红, 张宏科作者单位:北京交通大学,电子信息工程学院,北京,100044刊名:电子技术应用英文刊名:APPLICATION OF ELECTR

17、ONIC TECHNIQUE年,卷（期:2005,31（6被引用次数:59次参考文献（3条1.IEEE Standard for Information Technology-Telecommunications and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-Part15.4:Wireless Medium Acess Control（MACand Physical Layer （PHYSpecifications for Low0Rate

18、Wieless Personal Area Networks （ LR-WPANS2.韩旭东.张春业.李鹏传感器无线互联标准及实现期刊论文-电子技术应用 20043.中国ZigBee联盟.ZigBee技术探析 2004相似文献（10条1.期刊论文刘乐群.LIU Le-qun IEEE802.15.4/ZigBee协议的MAC层节点能耗分析与研究-现代计算机（专业版2008,（9能耗是无线传感网络性能的重要参数之一,针对无线传感网络WSNs特点,对无线传感网络的ZigBee技术标准傲了分析研究.围绕网络低功耗运行,从MAC层协议方面研究了无线传感网络的睡眠节能机制,讨论了IEEE802.15.4

19、在低功耗、低数据速率的无线连接领域应用的可行性.2.学位论文裴丽群基于ZigBee的无线照明系统的研究与设计2008IEEE802.15.4 标准主要规定了一种短距离、低功耗、低速率、高可靠性的无线芯片标准。遵循此标准的无线网络技术则由国际ZigBee联盟所定义。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。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。ZigBee联盟是一个高速增长的非牟利业界组织,成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。成员正积极制

20、定基于IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。ZigBee技术的目标就是针对工业,家庭自动化,遥测遥控,汽车自动化、农业自动化和医疗护理等,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。Zigbee技术和RFID 技术在2004年就被列为当今世界发展最快,市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。本文将在首先介绍了IEE802.15.4和ZigBee的基本技术规范以及通信协议标准之后,对于ZigBee联盟制定的标准灯光控制规范做了进一步的说明,并且最后侧重于无线照明系统的软硬件

21、研究与设计。本次设计采用Jennic的JN5121高功率模块,特别是在树形网络的组建上做了非常详细的设计参考。3.外文期刊高岸智.山尾泰.Takagishi Satoru.Yamao Yasushi階層化IEEE802.15.4/ZigBee MAC適用時間提案近年,低消費電力動作特徴無線通信規格IEEE802.15.4/ZigBee注目.本稿,低消費電力動作維持本規格大規模適応,階層化着目,構成要素化上位時間割当時間（TSGA提案.本提案,最上位配下2分,毎時間独立,CSMA/CA衝突確率軽減緩和,内用低消費電力動作同時達成.結果,以上保,消費電力1/21/3程度抑示.4.学位论文林子敬基于

22、ZigBee技术的无线传感器网络的研究与实现2009集成智能传感器技术、微机电系统技术和网络通讯技术三大技术而形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术（任丰原等,2003,具有非常广阔的应用前景,是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉的新兴前沿研究热点之一。无线传感器网络一般由大量廉价的微型传感器节点组成,因此如何在有限的硬件条件下实现大规模自组织网络的高效通信为无线传感器网络协议提出了新的挑战。IEEE802.15.4标准是IEEE针对低速率无线个人区域网络（Low-rateWirelessPersonalAreaNetwork,LR-WPAN制定的标准,旨在为低功耗的通信设备提供

23、一种经济、高效的无线网络。ZigBee协议采用IEEE802.15.4标准的物理层和链路层,并在其上增加了网络层、安全模块和应用支持子层等模块,从而实现了大区域网络覆盖。ZigBee由于其在低功耗、低复杂度、自组织等方面的优势,逐渐成为了无线传感器网络的首选通信协议。本文主要研究基于无线传感器网络的机器人导航应用中ZigBee协议的相关技术。首先分析无线传感器网络的特点,探讨无线传感器网络的体系结构及其相关应用,并介绍ZigBee各层网络协议。随后,针对ZigBee路由发现方法需要消耗大量通信代价的缺点,提出一种基于受限泛洪的路由发现方法,仿真实验结果表明该方法能够有效的降低路由发现的通信代价

24、。另外,本文还针对ZigBee路由协议在机器人导航应用中的不适应性,提出一种改进的树形路由协议TR4MRN,它采用一种基于代理节点的方法实现移动节点的动态路由,同时采用单向连接树形拓扑方法,增大了网络覆盖面,提高了网络自愈能力。最后,在本实验室研制的CC2431无线传感器网络节点平台上实现一个ZigBee协议栈,并通过协议性能和功能测试以及机器人导航系统的搭建,验证了该协议栈可行性。本文的研究内容得到了国家自然科学基金项目的资助,项目编号60535010。5.期刊论文Suhas Chakravarty.Varun Jain.Nakul Midha.Prashant Bhargava基于ZigB

25、ee/IEEE 802.15.4的低成本辅助驾驶系统-电子产品世界2009,16（11本文提出一个完整的基于ZigBee的驾驶辅助系统解决方案,该方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全无线网络功能等特性的ZigBee协议.6.学位论文习琨基于ZigBee的简单无线传感器网络设计与实现2008无线传感器网络（WSN, Wireless Sensor Network是综合传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息技术及无线通信技术的新型网络,它实时监测、感知和采集网络分布区域内各种监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,以自组织网络多跳中继方式将信息传送到终端用户,成为当前国际上备受关注的多学科

26、交叉研究热点领域。随着无线传感器网络的不断发展,其应用涉及社会生活的各个方面。同时,提出了更小功耗、更低成本、更可靠、更方便使用的要求,在此情况下,ZigBee技术应运而生。作为新兴的近距离、低功耗、低速率、低成本无线网络技术,ZigBee具有自动选择、连接网络及自我恢复等功能,物理层和MAC层遵循IEEE802.15.4标准,网络层和应用层由ZigBee联盟制定。基于ZigBee的无线传感器网络将传感器技术、通讯技术及计算机技术相结合,具有采集、传输和处理信息的能力,在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控等领域有广阔的市场前景。本文结合基于ZigBee技术的无线传感器网络相关研究,通过分析IE

27、EE802.15.4/ZigBee标准和SOC技术,应用ZigBee协议、传感技术及无线收发技术构成短距离简单无线传感网络。系统以Chipcon公司嵌入51内核的SOC射频收发芯片CC2430为核心,符合IEEE 802.15.4标准,工作在免授权2.4GHz频段,只需较少外围元件即可构成ZigBee无线通信节点;同时,选择Dallas公司单总线数字温度传感器DS18B20作为传感元件进行无线传感器网络节点的设计。文中详尽介绍了无线传感器网络设计的总体思想,分模块电路设计过程以及相关软件实现,利用Protel DXP绘制了无线模块和传感器底板的印制电路板。经过试验调试实现了无线测温网络,终端传感节点在进行温度实时采集显示的同时可将数据以无线形式发送,协调节点通过液晶显示收到的信息,并通过RS-232串口与个人计算机之间进行通信,初步实现了无线测