ZigBee无线通信协议的技术支持及其应用前景

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1、网络和通信技术的发展，使人们对无线通信的要求越来越高，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。有了ZigBee这种低速率通信技术，其所支持的应用更贴近人们的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4标准、ZigBee技术及其支持、应用前景和应用开发等方面的问题作一介绍。网络和通信技术的发展，使人们

2、对无线通信的要求越来越高，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。有了ZigBee这种低速率通信技术，其所支持的应用更贴近人们的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4标准、ZigBee技术及其支持、应用前景和应用开发等方面的问题作一介绍。一 ZigBee技术及其特征1. ZigBee技术　　Z

3、igBee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IEEE批准的　　802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。　　IEEE 802.15.4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、

4、915MHz和868MHz三种，各频段可使用的信道分别有16、10、1个，各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s之传输速率，其传输范围介于10～100M之间。由于ZigBee使用的2.4GHz、915MHz和868MHz频段是免费开放的，故已有多种无线通信技术使用，为避免被干扰，故在各个频段皆采用直接序列展频(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，直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能。 　　IEEE 80

5、2.15.4在媒体存取控制(MAC)层方面，主要是沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作；若产生碰撞，则稍后重新再传。这种MAC层的设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可实现非常有效的功耗管理。　　IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，而由ZigBee联盟所主导的ZigBee标准中，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

6、，并对其网络层协议和API进行了标准化。　　网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网(WPAN)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：第一个是网络协调者，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，并负责转送信息包；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，但不能转发信息，不具备路由功能。在同一个WPAN上，可以存在65536个Z

7、igBee装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息。为了在省电、复杂度、稳定性与实现难易度等因素上取得平衡，网络层采用的路由算法共有3种：以AODV算法建立随意网络的拓扑架构(Mesh Topology)；以摩托罗拉Cluster-tree算法的方法建立星状的拓扑架构(Star Topology)；以及利用广播的方式传递信息。因此，人们可根据具体应用需求，选择适合的网络架构。　　为了降低系统成本，IEEE定义了两种类型的装置：全功能装置(FFD)、简化功能装置(RFD)，可构成多种网络拓扑结构。在组网方式上，ZigBee

8、主要采用了图1所示的3种组网方式。一种为星型网，网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多可达65535个从属装置，而网络协调者必须是FFD，由它来负责管理和维护网络；另一种为簇状形网，可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络；再有一种为网状网，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可