ZigBee无线通信技术及其应用研究.doc

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuseZigBee无线通信技术及其应用研刘刚(0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。 ZigBee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,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。物理层,、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10~100m之间。图1 StructureandthefunctionoftheZigBee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。 媒体存取控制层,主要沿用无线局域网(WLAN)CA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,;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。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2 worktopologystructure○—Coordinator;□—Router;△—Enddevice应用层对于应用层,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。安全层安全层并非单独独立的协议,ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件,并集成了,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