ZigBee无线通信协议实现技术的研究解析.docx

1、ZigBee无线通信协议实现技术的研究解析Computer Engineering and Applications计算机工程与应用 2007。43(6 143ZigBee无线通信协议实现技术的研究任秀丽1.一.于海斌2REN Xiulil.一.YU Haibin21.吉林师范大学计算机学院,吉林四平1360002.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳1100161.School of Computer,Jilin Normal University,Siping,Jilin 136000,China2.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academ

2、y of Sciences,Shenyang 110016,ChinaEmail:rxlREN Xiu-li.YU Hal-bin.Study of realizing technology on ZigBee wireless communication protoc01.Computer Engineering and Applications,2007,43(6:143-145.Abstract:With the rapid development of wireless communication technologies,many new wireless communication

3、 technologies constantly come forth.The rising ZigBee has been a good applied field.In this paper,there is a completely analysis and study for ZigBee wireless communication protocol,and give the detailed realizing technology of network layer SO as to support the development of its software.Key words

4、:wireless communication;ZigBee;protocol;routing;algorithm摘 要:随着无线通信技术地迅速发展,新的技术不断出现。当前新兴的ZigBee技术具有很好的应用前景。针对ZigBee无线通信 协议的实现进行了全面地剖析和研究,给出了网络层协议实现技术的细节,以便支持其实现软件地开发。关键词:无线通信;ZigBee;协议;路由;算法文章编号:10028331(200706014303文献标识码:A 中图分类号:TP3931引言近几年来,随着无线移动通信技术地迅速发展,新的技术 不断出现。从蜂窝移动通信到宽带接入,再到无线局域网,使世 界在这张无线的

5、大网中变得越来越小。红外、HomeRF、蓝牙和 802.11等技术的出现又推动了无线个人域网(WPAN的向前发 展。目前的无线通信技术主要致力于如何提高通信速率。而相 对于简单无线连接的应用领域,如工业现场各种传感器的参数 收集等。由于数据传输量小,并不需要很高的传输速率。如果使 用现有的、过于复杂的无线通信技术将消耗很多能量.并且占 用过多的计算和通信资源,同时也增加了设备成本。因此,迫切 需要一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。 为了满足这种要求。在2002年8月,由英国Invensys公司、Et 本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公 司成立了ZigBee

6、联盟.并于2004年12月,正式公布了无线通 信技术ZigBee的1.0标准。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低 成本的双向无线通信技术1.5】。工作在2.4.GHz的ISM频段上。 传输速率为20kb/s一250kb/s,传输距离为10m一75m。主要适 合于工业控制、传感和远程控制领域。它依据IEEE 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。 ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了 它适合于承载数据流量较小

7、的业务。本文针对ZigBee技术的 实现细节进行了剖析和研究。给出了网络层协议实现技术的细 节,以便支持其实现软件的开发。2ZigBee的协议体系结构为了遵循国际标准组织(ISO开放系统互连(OSI参考模 式.ZigBee联盟采用了IEEE 802.15.4标准定义的单一的MAC 层和多样的物理层,它制定了MAC层以上的协议。其协议体 系结构口,q如图1所示。2.1物理层IEEE 802.15.4标准定义了两个物理层.分别是868MHz/ 915MHz物理层和2.4GHz物理层,两个物理层都使用相同 的数据帧格式3】.如图2所示。采用直序扩频技术DSSS(Di. rect Sequence S

8、pread Spectrum,DSSS,降低了数字集成电路 的成本。不同之处在于它们的工作频率、调制技术、扩频码片长 度和传输速率。868MHz是欧洲的ISM频段,它只有一个信道, 传输速率为20kbps;915MHz是美国的ISM频段,它有10个 信道,传输速率为40kbps,它们都采用BPSK调制方式。这两基金项目:国家自然科学基金(the National Natural Science Foundation of China under Grant No.60374072;国家高技术研究发展计划(863(the National HishTech Research and Develo

9、pment Plan of China under Grant No.2004AA412020。作者简介:任秀丽,副教授,博士后,主要研究方向为无线网络与通信;于海斌,研究员,博士生导师,主要研究方向为工业通信、人工智能。1442007,43(6ComputerE,画neeringandApplications计算机工程与应用ZigBee Profiles应j玎会聚层 网络层IEEE80215.4IEEE 802.2逻辑链控制联 逻辑链控制层1EEE 80215.4姒“【JJ摔制层868/915M11z2.4GHz物理胫 物理层图1ZigBee协议体系结构4个。一1I1个,:竹 1个字竹 0-

10、128个字节 11l!j(的丌始 帧的长度 保留 物理层服务 前导符定界符 (7他(I位数据单元 物理层 步头物理层头有效载荷图2物理层分组格式个频段的引入避免了与2.4GHz附近各种无线通信设备的相 互干扰,且这两个频段上的无线信号传播损耗较小,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,因而可以 用较少的设备覆盖给定的It域。2.4GHz是全球统一的无需申 请的ISM频段.对于ZigBee设备的推广和降低生产成本有极 大的好处。2.4GHz频段有16个信道,能够提供250kbps的传 输速率,它采用OQPSK调制方式。2.2数据链路层IEEE802系列标准把数据链路层分为媒体接

11、人控制层MAC(Media AccessControl。MAC和逻辑链路控制层LLC(Logical Link Control,L乙C。,1EEE 802.15.4的MAC子层支持 多种LLC标准,如IEEE 802.2类型的LLC标准,同时也允许其它LLC标准直接使用IEEE 802.15.4的MAC层的服务,而 MAC子层协议则依赖于不同的物理层。ZigBee的MAC子层主 要从低成本、低复杂度和低功耗进行设计。功能包括设备间无 线数据链路的建立与维护、确认模式的帧传送与接收、信道接 人控制、帧校验、预留时隙管理、广播信息管理。LLC子层主要 完成传输可靠性和控制、数据包的分段与重组、数据

12、包的顺序 传输等功能。数据链路层有4种帧类型:数据帧、信标帧、命令 帧和确认帧.其一般结构如图3所示。为了提高数据传输的可靠性,ZigBee采用了载波侦听多 址/冲突避免(CSMA/CA的信道访问方式和完全握手协议。该 标准支持两种类型的地址,一类是16位的局部地址。处理起来 更加方便,节约功耗;另一类是64位的扩展地址,可以为全球 任意一个设备分配的唯一的地址。2.3网络层ZigBee的网络层主要考虑采用基于Ad hoe技术的网络协议.使其在具有通用的网络层功能基础上能尽量的减小功 耗、减少成本。并具有高度动态的拓扑结构和自组织、自维护的 图4所示。2个字节2个字节 2个字节 1个字节 1个

13、字节 变K度 闷的地址源地址距离序列号*,Jdl敛 191控制域载荷路由域州络屡 网络层头仃效载荷图4网络层帧格式为了降低系统成本,ZigBee网络中定义了两种类型的没 备:一种是全功能设备FFD(FullFunctionDevice,FFD称为主设备.它承担了网络协调者的功能,可与网络中任何类型的设 备通信,它亦可作为网络中的路由设备;另一种是简化功能设备RFD(Reduced Function Device,RFD称为从设备,它不能作为网络协调者,只能与主设备通信。ZigBee主要采用了3种组网方式:星型网(Star、网状型网(Mesh和簇型网(Cluster tree,如图5所示。*翘Z

14、igBee协调没备(FFDoZigBee路南(FFD 0ZigBee终端(RFDFFD星型(Star网状型(Mesh簇型(Clustertrtc图5ZigBee的三种网络拓扑结构2.3.I地址分配在ZigBee网络巾。只有一个节点作为网络防调者,其它节. 点作为路南节点或者是叶子节点。全功能设备可作为网络协调 者和路南节点.而简化功能设备只能作为叶子节点。网络结构 通常采用簇型网.节点地址是由其父节点采用分布式地址分配 方案进行分配。网络协调者确定整个网络节点的数目。每个节 点都拥有一个网络深度,用以指示在其父子链路上数据传输到 协调者的最小跳数。协调者的深度为0,而它的孩子节点的深 度为1。

15、显然,多跳网络中的深度是大于1的,网络的深度是由 网络协调者来决定的。在ZigBee网络中,假设一个父节点有最大孩子节点数为C。网络的最大深度为L。,一个父节点的最大路由数R。,可以 计算网络中每个节点的功能函数e枷(d,其函数式为:1+C。+(L。-d-1R。=1瓯(d=l+c厂R,G,+尺L。m“。甘士【1瓦_是匕式中的d是节点到协调者的深度。如果e舢(d的值为0,则表 明此节点为叶子节点;而e枷(d的值大于0,则表明该节点可 作为一个父节点,这个父节点可以接收子节点并根据它们是否 具有路由能力来分配地址。具体过程是:首先一个子节点的地 功能。网络层有二种帧类型闭:数据帧和命令帧,其一般结

16、构如址被分配,子节点地址比父节点的地址多l;然后其余节点根2个字节1个字节 0-2个字节 0-2/8个宁节 0.2个字节 0-2/8个7,竹 可变长度2个字节序列号口的地个 源地址个 帧控制域域网标识的地址源地蚓:域网标识帧有效 帧校验 载荷 序列 地址域数据链路层 数据链路 数据链路层头有效载荷层脚符图3数据链路层帧格式任秀丽,于海斌:ZigBee无线通信协议实现技术的研究 2007,43(6 145据如下式子求出。A。甜,。”。+e女w(d水尺。+n式中1n(cmR。A。代表父节点的地址。现将图5中的 簇型网各节点的地址通过上述公式计算,结果如图6所示。 d (dO 2l5e枷=l,a2l

17、 巳。,25图6ZigBee的簇型网中的节点地址分配2.3.2路由算法ZigBee网络中,协调者和路由节点具有路由功能。ZigBee 的路由算法在路由发现和路由维护期间利用路径代价作为路 由的标准。路径代价就是求整个路径在每一个链路上的代价 和。具体通过以下式子求出:L一1c(Pl=乞cD。D“式中P表示一条路径;L表示一条链路;D。,玑1表示一条链路 上的两个设备;C【D。D。为一条链路的代价;CP就是在路径 P上的总代价。若设C(【DD。】等于Cf,则在链路f上的代价 为:7cf12minf7,dIi.Pt式中P,是数据包在链路2上的投递率,它取决于链路质量。从 上式可以看到,对于每一个设

18、备,czl有两个值的选择,具体选 取哪一个值由网络层信息库的属性来决定。ZigBee网络层采用一种基本的路由算法,该算法的主要思 想是先对接收的数据帧进行判断,判断数据帧的来源。然后,分 解出数据帧中的目的地址,根据目的地址,采用相应的机制传 送数据帧,具体实现过程如图7所示。2.4应用会聚层应用会聚层包括应用对象终端设备和应用接口层.且最多 只能包含31个应用对象。应用接El层将主要负责把不同的应 用映射到ZigBee网络层上,其中包括:安全与鉴权、多个业务 数据流的会聚、设备发现及业务发现。来自高层的帧来自低层的帧是f L而蕊端设备孩子?炙:嬲路由直接到门的地它是一个广播帧?L世掣l否是爸

19、是一卞是广播帧?,/7一彳 ,它是N 我的?/璺 土是图7基本路由算法广播发送帧给低场3结论ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成 本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺.是无线个人区域网 络不可缺少的组成部分。同时,它也已被业界认同为传感网络 的基本通信技术。随着ZigBee技术的不断完善和发展.其大蟹 丰富而便捷的应用,保证了ZigBee技术具有独特的生存空间。 (收稿日期:2006年8月参考文献:。【1】Kinney P.ZigBee technology:wireless control that simply works EB/OLI.(200408-30. rtic

20、les/kinney/zigbee.Htm.2】ZigBee Alliance.DocumentEB/0L.(20041215.http:/www.zigbee. Org.31LAN/MAN Standards Committee.Part 15.4:wireless Medium Access Control(MACand PHysical Layer(PHLspecifications fin low一-rate wireless personal area networks【EB/0L】.(2004-08-30.http:/ WWW.zigbee.Ore,/.【4】Edgar H,Cal

21、lawy J,Callaway E H.Wireless sensor networks:archi tectures and protocolsM.New York:auerbach publication。2003: 260-300.【5】ZigBee Alliance.ZigBee SpecificationZ.Version 1.0,20050627.(上接118页参考文献:1Pc pescu C.Group signature schemes based on the difficulty ofcomputation ofapproximateeth motsc】/,PROMS 20

22、00,Poland,2000:325331.2】Ateniese G,Steiner M,Tsudik G.Authenticated group key agree-ment and friendsC/5th ACM Conference on Computer and Com munications Security,ACM,1998:17-26.3Koyama K.Secure conference key distribution schemes for conspir acyC】/AdVance in CryptologyEurocrypt,Springer-Verlag,1992:

23、449-454.【44Hwang T,Chen J L.Indentity-based conference key broadcast sys. temJ.IEE proc-Comput Digit Tech,1994,141(1:5760.55Burmester M,Desmedt Y.A secure and efficient conference key distribution systemC/Advance in Cryptology-Eurocrypt94,Berlin: SpringerVerlag。1994:275-287.6Burmester M,Desmedt Y.Ef

24、ficient and secure conference key dis. t曲utionC/Cambridge Workshop on Security Protocols of Lecture Notes in Computer Science,Berlin:SpringerVerlag,1996,1189: 119一126.【7】刘锋,张建中.一种透明的可分电子现金系统J.电子技术应用, 2005,3l(12:810.耻 ZigBee无线通信协议实现技术的研究作者:任秀丽 , 于海斌 , REN Xiu-li, YU Hai-bin作者单位:任秀丽,REN Xiu-li(吉林师范大学,

25、计算机学院,吉林,四平,136000;中国科学院,沈阳自动化 研究所,沈阳,110016 , 于海斌,YU Hai-bin(中国科学院,沈阳自动化研究所,沈阳,110016 刊名:计算机工程与应用 英文刊名:COMPUTER ENGINEERING AND APPLICATIONS年,卷(期:2007,43(6被引用次数:20次参考文献(5条1. Kinney P ZigBee technology:wireless control that simply works 20042. ZigBee Alliance Document 20043. LAN/MAN Standards Commit

26、tee Part 15.4:wireless Medium Access Control (MAC and PHysical Layer(PHL specifications for lowrate wireless personal area networks 20044. Edgar H. Callawy J. Callaway E H Wireless sensor networks:architectures and protocols 20035. ZigBee Alliance ZigBee Specification Version 1.0 2005相似文献(10条1.期刊论文

27、卢放鸣 ZigBee工业无线通信中的数据管理 -中国仪器仪表 2008,(z1ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络标准,其灵活的组网方式、可靠的网络性能、大规模的网络容量为 工业无线通信提供了一种新的无线接入应用技术.主要介绍ZigBee协议的内容,并就工业现场环境的特殊性提出在实际的网络应用中还需要解决的诸如干 扰、可靠性、时延、网络安全、应用开发等问题.2.学位论文 申娟 ZigBee网络中时钟同步方案的设计与实现 2008时钟同步技术是通信系统的核心,它为系统中的其它设备馈送正确的时钟信号。精确、可靠的时钟信号在其它系统中,如计算机网络系统、控制

28、系 统、卫星系统等都有着广泛的应用。在短程无线通信领域,基于IEEE802.15.4标准的ZigBee无线个域网以其低成本、低功耗、低速率、低复杂度等特点以及可靠性高、组网简单、灵活 等优势,拥有广阔的应用前景。作为无线通信产品,随着通信技术的不断发展和通信产品应用的不断扩大,时钟同步问题将会成为影响ZigBee网络发展 的一个重要因素。对ZigBee网络的时钟同步技术的研究,是一项很有意义的课题。论文首先介绍了当前主要的时钟同步技术和算法;然后对研究课题的网络平台-ZigBee网络进行了简单地介绍,以便了解和认识ZigBee短程无线通 信网络;接着,在ZigBee网络的基础上,根据IEEE1

29、588基本原理,设计和实现时钟同步方案,并把方案应用在了两种不同的实际项目中,阐述了一些关 键问题的解决办法以及对时钟同步技术的各种补充和完善措施;最后对在ZigBee网络中实现的时钟同步系统进行测试和检验,并对其进行总结和推广。 测试结果证明了课题设计的时钟同步算法-IEEE1588在ZigBee短程无线通信领域的可行性和实用性。3.期刊论文 用ZigBee技术实现安防系统中部分子系统的无线通信 -现代计算机(专业版 2009,(10安防系统中除视频监控系统之外的其他子系统对传输速率的要求井不高,ZigBee无线网络技术具有低功耗、低速率、低成本等特点,把ZigBee技术应 用到安防系统的部

30、分子系统中,能够实现其无线信息传输,既避免布线又节约成本.4.期刊论文 黄婷婷 . 刘占良 . 毛新华 基于ZigBee无线通信的温度测控系统设计 -安徽农业科学 2010,38(14针对传统的畜禽舍无线测控系统的芯片价格昂贵、传输距离短等问题,设计出了一种基于ZigBee无线通信的温度测控系统.该系统以DS18B20传感器为 数据采集端,以 SST89C51单片机为主控制器,不仅实现了对畜禽舍温度的实时监测和自动控制,还具有监控范围宽、成本低、耗电少、网络节点多、传输 距离远等特点,为实现畜禽舍管理的自动化、智能化提供了技术支撑.5.会议论文 卢放鸣 基于ZigBee的工业无线通信 2008

31、ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络标准,ZigBee灵活的组网方式,可靠的网络性能,大规模的网络容量 为工业无线通信提供了一种新的无线接入应用技术.本文主要介绍了ZigBee协议的内容,并就工业现场环境的特殊性,提出了在实际的网络应用中还需要解决的诸如干扰,可靠性、时延、网络安全、应用 开发等问题。6.学位论文 蒋敏 ZigBee协议研究及灯控网络应用设计 2008近年来,短距离无线通信有了迅速发展,各种技术层出不穷,如蓝牙、ZigBee、Wi-Fi、UWB等,它们都有各自的特点和应用潜力。ZigBee技术因其 低功耗、低成本、大容量、安全性高等诸多优势取得了发展和广泛的应用。ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用方面的技术,完整的ZigBee协议由物理层、媒体接入控制(MAC层、 网络层和应用层规范组成。IEEE 802.1