基于ZigBee的无线网络技术及其应用_图文(精)
专家论谈
基才ZigBee的无线网络技术及其应用
顾瑞红,张宏科
(北京交通大学电子信息工程学院,北京100044
摘要:Z谵Bee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,本文详细分析了ZigBee技术, IEEE802.15.4标准及相关应用,讨论了它们的关系和相对其它技术的特点,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。本文还针对无线网络与NGN(IPV6的结合做了分析。
关键词:IEEE802.15.4ZigBee短距离无线网络IPV6
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Bluet00tll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 kbp8、工作在2.4GHz和868/928MHz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。1lEEE802.15.4和ZjgBee介绍
IEEE无线个人区域网mN工作组的IEEE802.15.4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。
1.180
2.15.4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。
ZigBee
Profiles
网络应用层
数据链路层
IEEE802.15.4LLC802.2I工C
IEEE802.15.4MAC
868/915PHY2400PHY
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(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(Dir{ect 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
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专家论谈
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’Ⅸ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。
1.2ZigBee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。
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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:
(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。
1.4IPV6Over80
2.15.4
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Wi—Fi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,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10~75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: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;
(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,并将极大地改善我们的生活方式和体验。
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XILINX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。
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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 ELECTRONIC TECHNIQUE
年,卷(期:2005,31(6
被引用次数:59次
参考文献(3条
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相似文献(10条
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2008,""(9
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8.学位论文杜丽敏基于ZigBee技术的无线传感器网络研究2007
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ZigBee是近两年才定型的无线通信技术,ZigBee在物理层和MAC层遵守IEEE802.15.4标准,网络层、应用层遵守ZigBee联盟制定的规范。在短距离低速率无线通信方面,有着蓝牙和无线局域网无法比拟的优势;在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具备广阔的市场。
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9.期刊论文黄智伟.何娜.HUANG Zhiwei.HE Na基于MRF24J40的
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2008,31(21
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10.期刊论文彭奇仲ZigBee无线网络通信协议的研究-科技创业月刊2010,23(3
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术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术.文章主要就
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