基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用.doc

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1、基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用引言   无线网络的市场发展在逻辑上可分为而向语音的市场和面向数据的市场两类。在许多以数据传输为主的无线网络中，小型、低成本、低复杂度的无线网络的应用场合十分广泛。ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术，其网络标准由IEEE802.15.4规定。ZigBee协议比蓝牙、高速率PAN(个人局域网)或者IEEE802.11x无线局域网更加简单实用。   1IEEE802.15.4标准和ZigBee技术   IEEE的无线PAN工作组制定的IEEE802.15.4技术

2、标准是ZigBee技术的基础，目的是为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接。   1.1IEEE802.15.4协议架构及其技术特点   IEEE802.15.4满足ISO(国际标准化组织)OSI(开放系统互连)参考模式。它定义了单一的MAC(媒体访问控制)层和多样的物理层，如图1所示。   IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS(业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型1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。   I

3、EEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868／915MHz物理层2个标准，它们都基于DSSS(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。915／868MHz频段是基于差分编码的BPSK(二进制相移键控)，2.4GHz频段采用十六进制正交调制。2.4CHz频段共有16个不同的信道为全球统一的无需申请的ISM(工业、科学、医疗)频段，采用高阶调制技术能提供250kbit／s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，从而更省电。868MH

4、z是欧洲的ISM频段，只有1个信道，915MHz是美国的ISM频段，有10个信道，引入这2个频段避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz传输速率为20kbit／s，916MHz传输速率为40kbit／s。这2个频段上无线信号传播损耗较小，因此可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。   1.2ZigBee技术   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，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，

5、同时支持地理定位功能。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。   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，如图2所示。   a)物理层：遵循IEEE802.15.4协议，是协议的最底层，承担着与外界直接作用的任务，控制RF收发器工作，采用扩频通信，信号传输距离为室内50m，室外150m。   b)MAC层：遵循IEEE802.15.4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑

6、结构，网络中每个设备为16位地址寻址。   c)网络层：建立新的网络，处理节点的进入和离开网络，根据网络类型设置节点的协议堆栈，使网络协调器对节点分配地址，保证节点之间的同步，提供网络的路由，保证数据的完整性，使用可选的AES-128对通信加密。d)应用层：应用支持层维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，根据服务和需求使多个器件之间进行通信，根据具体应用由用户开发。   2ZigBee的网络结构   Zigbee支持星形网、对等网和混合网3种网络拓扑结构。图3是混合型ZigBee组网。每种网络都有各自的

7、优点。星形网以一个功能强大的主器件作为网络的中心，负责协调全网的工作，其他的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。这种网络的控制和同步都比较简单，适用于设备数量比较少的场合。对等网又分为点对点和簇树形2种，是由主器件连接而成的。这种网络能提供更高的可靠性。星形网和对等网相结合形成了混合网，各子网内部以星形连接，主器件又以对等方式相连。这种网络适用于对网络要求最复杂的情况。一般在现实的应用环境中，混合型具有更大的实用性。   在无线传感器网中的节点是由软件层和硬件层共同配合来实现功能的。在应用ZigBee芯片建立无线传感器网时

8、，ZigBee芯片硬件内置物理层和MAC层的一部分功能，其他高层由外而的MPU解决，通过对MPU的写入，来实现ZigBee的高层协议。图4为节点内部结构图。   节点应用部分装置根据监控的不同位置(比如温度、声音、振动、压力、运动或泻染物)起不同的作用。通常这些装置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它们的资源(能