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用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准,但在此基础上进行了完善和扩展.其网络层,应用会聚层和高层应用规范(API)由ZigBee联盟进行了制定[4].根据ZigBee之技术本质,ZigBee具有下列之特性:
1.省电:ZigBee传输速率低,使其传输资料量亦少,所以讯号的收发时间短,其次在非工作模式时,ZigBee处于睡眠模式,而在工作与睡眠模式之间的转换时间,一般睡眠启动时间只有15ms,而设备搜索时间为30ms.透过上述方式,使得ZigBee十分省电,透过电池则可支援ZigBee长达6个月到2年左右的使用时间.
2.可靠度高:ZigBee之MAC层采用talk-when-ready之碰撞避免机制,此机制为当有资料传送需求时则立即传送,每个发送的资料封包都由接收方确认收到,并进行确认讯息回覆,若没有得到确认讯息的回覆就表示发生了碰撞,将再传一次,以此方式大幅提高系统资讯传输之可靠度,另外ZigBee提供了数据完整性检验和鉴权功能.
3.安全性高:ZigBee加密算法采用了AES-128,同时各个应用程序可以灵活确定其安全属性.ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络远距离传输不会被其它节点获得[5].
4.高度扩充性:一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网络节点,其中一个是Master设备,其余则是Slave设备.若是透过NetworkCoordinato:则整体网络最多可达到6500个ZigBee网络节点,再加上各个NetworkCoordinator可互相连接,整体ZigBee网路节点数目将十分可观[6].
5.成本低廉:目前,ZigBee芯片的成本大约在3美元左右,ZigBee设备成本的目标是要在1美元以下.而且ZigBee芯片的体积较小,如Freescal公司生产的MC13192ZigBee收发芯片的体积为5mm*5mm,随着半导体集成技术的发展,ZigBee芯片的体积将会变得更小,成本也会降得更低[7].
本文工作
本文的设计目标是设计一种基于ZigBee无线通信技术的校园供暖温度监测系统,实现对校园各个建筑物冬季暖气供暖情况的实时动态监测,方便供暖部门的管理与检修.
本文的主要工作如下:
1.分析IEEE802.15.4和ZigBee协议,理解ZigBee技术的特性和通信原理.研究Microchip的ZigBee协议栈及其具体实现方式,并能初步应用协议栈实现具体功能.
2.根据节点的物理特性,选择合适的微处理器和无线传输芯片,组建无线传感器网络节点,包括电路连接,相应外围电路设计,射频部分的天线分析,PCB制作等.
3.测温软件的编写及整个网络的测试,能完成预期设定的功能并能达到预定的性能指标.
本文的结构大致分为三部分:第一部分为无线传感器网络的介绍以及对ZigBee技术,协议栈的介绍,包括第一章,第二章,第二部分为硬件和软件的具体实现以及整个网络的测试,包括第三章,第四章,第三部分为总结,对本论文的工作做简要评价.
第一章:绪论.该章介绍了无线传感器网络的概念以及国内外的研究现状,主要研究方向,然后对包括ZigBee技术在内的几种短距离无线通信技术做了介绍和比对,最后对本文的工作做了提纲性的简介.
第二章:ZigBee协议及其应用.该章从ZigBee协议介绍到ZigBee协议栈的构架,并对ZigBee技术的应用范围做了具体的分析.主要内容包括IEEE802.15.4技术,ZigBee协议,ZigBee协议栈API,数据传输机制以及地址分配机制和路由算法.
第三章:无线测温系统硬件的设计与实现.该章首先对整个网络的结构做了介绍,然后就硬件的设计做了具体的阐述.主要包括节点硬件的组成与设计等内容.
第四章:无线测温系统软件的设计与实现.该章首先对整个网络的软件结构及协议栈做了介绍,然后就软件设计方面做了具体的阐述.主要包括节点软件的设计,节点间数据的通信等内容.
第五章:总结.该章对本文所完成的任务做了总结,指出了本文所取得的成果和创新点并提出了今后的需要做的工作和下一步努力的方向.
ZigBee协议及应用
ZigBee协议底层是基于IEEE802.15.4无线通讯协议[14].zigBee规范是由半导体厂商,技术供应商和其他公司组成的一家非营利工业协会,即ZigBee联盟.联盟当前的成员己经超过150家.ZigBee规范致力于利用IEEE802.15.4所提供的特性,ZigBee适用于低速率,低功耗的应用环境.下图是ZigBee协议栈的概述图:
ApplicationFramework
应用层(AF)ApplicationSupportSublayer
应用支持层(APS)NetworkLayer
网络层(NWK)MediumAccessControlLayer
数据链路层(MAC)PhysicalLayer
物理层(PHY)图2.1ZigBee协议栈概述图
IEEE802.15.4技术概述
当前的IEEE802.15.4标准是在2003年提出的并由IEEE所管理.这个标准与常见的无线传输标准802.n不同,它主要关注低速率,低功耗的应用.
IEEE802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型(OSI),每一层都实现一部分通信功能,并向高层提供服务.IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层.PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成.MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口.
物理层(PHY)
IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层两个物理层标准,它们都采用了DSSS(DireetSequeneeSpreadSpectnJIn,直接序列扩频).2.4GHz波段为全球统一的无需申请的IsM频段,有助于设备的推广和生产成本的降低.物理层数据服务从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库[15].
物理层数据服务包括以下六方面的功能:
(1)激活和休眠射频收发器,
(2)信道能量检测(energydeteet),
(3)检测接收数据包的链路质量指示(linkalityindieation,LQI),
(4)空闲信道评估(clearchannelhannelassessment,CCA),
(5)信道频率的选择
(6)收发数据.
数据链路层(MAC)
IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC(Logica1LinkConirol,逻辑链路控制)和MAC(MediaAeeessControl,媒介接入控制)两个子层.MAC子层提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务.前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发,而后者从事MAC层的管理活动,并维护一个信息数据库[15].
数据链路层数据服务包括:
(l)为协调器设备产生信标帧,
(2)在各个信标帧之间同步,
(3)支持PAN的关联和取消关联的操作,
(4)支持设备无线通信信道安全,
(5)使用CSMA/CA机制访问信道,
(6)支持时槽保证(guaranteedtimeslot,GTS)机制
(7)支持MAC层实体之间可靠传输.
设备分类
在IEEE502.15.4标准中.定义了两种设备:半功能设备(ReducedFuion
DeVice,RFD)和全功能设备(FullFunctionDeviee,FFD).这些设备的不同在于它们实现标准的程度,具体内容见下表.
表2.1IEEE802.15.4设备类型
设备类型服务提供电源来源接受机设置全功能设备(FFD)绝大部分或全部固定电源一直开启半功能设备(RFD)受限电池当空闲时关闭
2.2ZigBee协议
ZigBee协议标准
在物理层(physiealLayer:PHY)方面,802.15.4之工作频率分为2.4GHz,915MHz和868MHz三种,分别提供250Kbps,40Kbps和20Kbps之传输速率,其传输范围介于10到100公尺之间,一般是30公尺.由于ZigBee使用的是2.4GHz,9l5MHz和868MHz频段,这些频段因是免费开放使用,故已有多种无线通讯技术使用,因此ZigBee为避免被干扰,故在各个频段皆是采用直接序列展频(DSSS)技术.
ZigBee协议栈
ZigBee协议栈同开放式系统互联参考模型(
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