（精品）zigbee物理层关键技术研究

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1、第23卷第4期常熟理工学院学报(自然科学)Vo1．23No．42009年4月JournalofChangshuInstituteTechnology(NaturalSciences)Apr．，2009ZigBee物理层关键技术研究朱巍峰(苏州工业职业技术学院机电工程系，江苏苏州215104)摘要：zigBee技术具有省电、可靠性高、成本低、时延短、网络容量大、安全等优点，填补了低成本、低功耗和低数据传输速率的无线个人局域网和短距离无线应用的空白．本文介绍了zigBee技术的特点，重点研究了2．4G物理层的规范及其编码、扩频和调制的过程．关键词：ZigBee；物理层；

2、扩频；偏移四相相移键控中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1008—2794(2009)04—0095—051ZigBee技术1．1ZigBee技术的由来ZigBee是一种提供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，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．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，同时支持地理定位功能．电气与电子工程师协会I

3、EEE于2000年l2月成立了802．15．4工作组，这个工作组负责制定ZigBee的物理层和MAC层协议，2002年8月成立了开放性组织——zigBee联盟．ZigBee联盟负责MAC层以上高层协议的制定和应用推广工作，对其网络层协议和API进行了标准化．IEEE802．15．4标准正式版本已于2003年5月发布，2004年12月，ZigBee联盟确定了ZigBee的正式版．2006年6月，ZigBee联盟发布了ZigBee2006版．1．2ZigBee技术的特点(1)低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月甚至更长．这是ZigBee

4、的突出优势．相比较，蓝牙能工作数周、WiFi只可工作数小时．ZigBee技术特别省电，避免了频繁的更换电池或充电，从而减轻了网络维护的负担．(2)低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求．按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而J~．ZigBee免协议专利费．(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求．(4)近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到l3km．这指的是相邻节点间的距离．如果通过路由

5、和节点间通信的接力，传输距离将可以更远．(5)短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进收稿日期：2008—12—30作者简介：朱巍峰(198o__)，男，江苏苏州人，苏州工业职业技术学院机电工程系助教，研究方向：物理、电子与通信工程常熟理工学院学报(自然科学)2009拄一步节省了电能．相比较，蓝牙需要310s、WiFi需要3s．(6)高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000

6、个节点的大网．1个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络．(7)高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性．2ZigBee物理层关键技术2．1通信可靠机制ZigBee采用了csMA—CA的碰撞避免机制，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；明晰的信道检测MAC层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息．2．2网络的自组织、自愈能力强ZigBee的自组织功能：无需人工干预，

7、网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作．2．3ZigBee物理层规范概述IEEE802．15．4在工业科学医疗(ISM)领域，定义了两个工作频段：2．4GHz频段和868／915MHz频段．在IEEE802．15．4中，总共分配了27个具有3种速率的信道：在2．4GHz频段有l6个速率为250kb／s的信道；在915MHz频段有l0个40kb／s的信道；在868MH