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单介绍了相应的软件开发工具. 第五章是总结与展望.对本文工作进行了总结,并探讨可以进一步深入研 究的方向. 第二章ZigBee[7]协议分析 ZigBee协议是一种近距离,低复杂度,低功耗,低数据速率,低成本的无线网络技术. 在标准规范制订方面,主要是IEEE802.15.4小组与ZigBeeAlliance两个组织,两者分别制订硬体与软体标准.在IEEE802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC(MediaAccessControl,媒体存取控制层)与物理层规范,2003年5月通过802.15.4标准,在ZigBee联盟方面,ZigBee[7]联盟是在2002年10月由Honeywell,Mitsubishi,Motorola,Philips与Invensys共同成立,ZigBee联盟负责制订网路层,安全管理,应用界面规范,其次也肩负互通测试,目前ZigBee联盟已推出第1.0版规范(Version1.0),成员已达150多个. ZigBee协议依据802.15.4标准[8][9],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.IEEE802.15.4规范是一种经济,高效,低数据速率(<,250kbps),工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术,它是ZigBee应用层和网络层协议的基础. 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.2.1ZigBee协议框架
ZigBee协议同其它网络通信协议一样采用分层模型,对各层所实现的功能和在整个协议中起的作用做了明确的划分,每层为其上层提供一组特定的服务.ZigBee的协议架构大致如表2.1所列.
表2.1ZigBee的协议架构 第四层应用层 第三层网络层 第二层媒体访问层(MAC) 第一层物理层
ZigBee协议虽然是基于标准的七层OSI(OpenSystemInterconnect,开放式系统互联)模型[10],但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义.IEEE802.15.4-2003标准定义了最下面的两层:物理层和MAC.ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的协议. 相比于常见的无线通信标准,ZigBee协议套件紧凑而简单,具体实现的要求很低.以下是ZigBee协议套件的需求估计:硬件需要8位处理器,如广泛使用的80C51系列单片机[12],软件需要32KB的ROM(ReadOnlyMemory,只读存储器),最小软件需要4KB的ROM,网络主节点需要更多的ROM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物理层 IEEE802.15.4标准在物理层设计中面向低成本和更高层次的集成需求,才用的工作频段分别为2.4GHz和868/915MHz.各个频段可以使用的信道数目分别为16,10,1,各自提供250kbps,40kbps和20kbps的传输速率,其传输范围介于10-100米之间. 为了避免干扰,在各个频段均使用DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频技术)[13],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,直接序列的应用可以使模拟电路更加简单,具有更高的容错性能. 2媒体访问层 IEEE802.15.4标准在媒体访问层(MAC)方面,主要沿用无线局域网WLAN中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance,载波监听多路访问与冲突避免)方式以提高系统的兼容性.这种MAC层的设计不但是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控制. 3网络层 网络功能是ZigBee协议的重要特点,也是与其他无线局域网标准不同的地方.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,并且具有自我组态与自我修复功能.在网络层中ZigBee协议定义了三种角色:第一个是网络协调器,负责网络的建立以及网络位置的分配,第二个是路由器,主要负责找寻建立以及修复信息包的路由路径,并负责转发信息包,第三个是末端装置,只能选择加入他人已经形成的网络,可以收发信息包,但是不能转发,不具备路由的功能.通常,路由器和网络协调器由全功能装置(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2.1所示三种方式:其一为主从方式的星形网,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,其二为簇形网络,它可以是扩展的单个星形网或者互连多个星形网络,其三为网状网(Mesh),网络中的每个FFD可以做为路由器,根据ADhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径.
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图2.1三种网络拓扑结构
4应用层 对于应用层,主要有三个部分:与网络层相连的应用支持(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经覆盖了服务的观念. 对于ZigBee装置而言,当加入到一个WPAN(WirelessPersonalAreaNet,个人无线局域网)后,应用层的ZMO会发起一系列的初始化动作,先通过APS进行装置收寻以及服务收寻后,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资料的服务或者行规.而装置应用行规则是根据不同的产品设计出的不同的描述信息,以及ZigBee各层协议的参数设定. 5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,并且集成了IEEE802.15.4标准的安全元素,用来保证MAC层祯的机密性,一致性和真实性. 另外ZigBee联盟也负责ZigBee产品互通性测试与认证规则的制定,让开发ZigBee产品的厂商有一个公开的场合,能够互相测试互通性.而在认证部分,ZigBee联盟一共定义了三种层次的认证,第一级认证物理层和MAC,与芯片厂有着最直接的关系,第二级认证ZigBee协议栈,第三级认证ZigBee产品.只有通过第三级认证的产品才能贴上ZigBee的标志,所以也称作ZigBee注册认证.
2.2ZigBee协议优缺点和应用前景
ZigBee协议是从WLAN发展过来的,经过近几年来ZigBee联盟成员[7]对标准的不断修改和完善,已经显示出了强大的生命力,但是本身还有一些缺点,这也限制了ZigBee协议的使用范围. 2.2.1ZigBee协议的优点 功耗低:由于ZigBee网络节点设备工作周期较短,收发信息功耗较低,并且采用了休眠模式(当不传送数据时处于休眠状态,当需要接收数据时由ZigBee网络中的协调器设备负责唤醒它们),可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间.避免了频繁更换电池或者充电,从而减轻了网络维护的负担. 数据传输可靠性高:采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突.而且MAC层采用了完全确认的数据传输机制,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,从而从根本上确保了数据传输的可靠性,最大限度地降低信息损失的概率. 网络容量大:一个Zigbee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备[14],一个区域内可以同时存在最多100个Zigbee网络. 时延小:针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短.设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值为15ms,活动设备信道接入时延为15ms.
表2.2Zigbee与蓝牙协议时延比较 设备收索时延典型值(ms)休眠激活时延典型值(ms)活动设备信道接入时延(ms) ZigBee技术3015
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