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1、ZigBee无线通信技术及其应用研刘刚（030120579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
2、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。本文就IEEE802.15.4标准及其所具备的可靠性和低功耗特点、ZigBee技术及其软硬件支持、以及应用开发等方面的问题进行探讨。1ZigBee技术及其特征1.1 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IEEE802.15.4无线标准研制开发
3、的有关组网、安全和应用软件方面的技术[1～3]。适合于承载数据流量较小的业务,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。1.1.1物理层 IEEE802.15.4标准在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求,采用的工作频率分为2.4GHz、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
4、输速率,其传输范围介于10～100m之间。图1 ZigBee的结构和分工Fig.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。1.1.2 媒体存取控制层 IEEE802.15.4标准在媒体存取控制(MAC)层方面,主要沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMACA方式,以提高系统兼容性。这种MAC层的
5、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,IEEE802.15.4标准仅处理MAC层和物理层协议；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。1.1.3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
6、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
7、和最可靠的路径。图2 3种网络拓扑架构Fig.2 Threenetworktopologystructure○—Coordinator;□—Router;△—Enddevice1.1.3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
8、的绑定表中
