基于ZigBee的應用

1、基于IEEE802.15.4規(guī)范的ZigBee無線網絡技術【導讀】IEEE802.15.4規(guī)范是一種經濟、高效、低數據速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術，用于個人區(qū)域網和對等網狀網絡。 一、 引言 長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種

2、經濟、高效、低數據速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術，用于個人區(qū)域網和對等網狀網絡。它是ZigBee應用層和網絡層協(xié)議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。 這么多年來，無線技術已經發(fā)展出很多不同的分支，應用于很多不同的領域。原本很多技術都只用于

3、消費電子通信，比如，CDMA/GPRS，WI-FI，Bluetooth等，然而現在，隨著工業(yè)控制的需要，其中的某些無線技術也根據需要應用到了工業(yè)領域中。就好像下面將要介紹的ZigBee和GPRS技術一樣。通過運用這些技術可以解決傳統(tǒng)控制由于沒有通訊功能，無法實現集中監(jiān)控的問題，將運行維護人員從大量繁瑣的工作中解放出來，大大減少了系統(tǒng)停用帶來的不良影響。一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點，也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小

4、的業(yè)務。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。 二、IEEE 802.15.4和ZigBee介紹 IEEE無線個人區(qū)域網(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎。802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應用領域。傳感器網絡是其主要市場對象。 2.1 802.15.4協(xié)議架構及其技術特點 IEEE802.15.4滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層，

5、表1中概括了802.15.4的一些特點： IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務相關的會聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數據包格式，區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸

6、速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。 表2中概括了802.15.4

7、的一些特點： 2.2 ZigBee技術概述 ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網絡層協(xié)議和API進行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32K字節(jié)。每個協(xié)調器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。 完

8、整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。 應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上，具體而言包括： （1）安全與鑒權； （2）多個業(yè)務數據流的會聚； （3）設備發(fā)現； （4）業(yè)務發(fā)現。 網絡層將主要考慮采用基于adhoc技術的網絡協(xié)議，應包含以下功能： （1）通用的網絡層功能：拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯(lián)業(yè)務，包含了尋址、路由和安全； （2）同IEEE802.15.4標準一樣，非常省電； （3）有自組織、自維護功能，以最大程度減少消費者的開支和維

9、護成本。 相對于常見的無線通信標準，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單，其具體實現的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計： （1）8位處理器，如80c51； （2）協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM； （3）最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM； （4）網絡主節(jié)點需要更多的RAM，以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息、數據包轉發(fā)表、設備關聯(lián)表、與安全有關的密鑰存儲等。 2.3 整個協(xié)議構架 在標準制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務小組共同制定，其中實體層、MAC層、資料鏈結層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導，并共同針

10、對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研討，而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求，為不同應用修正其所需之應用介面： 2.4 IPV6Over 802.15.4 ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個電子設備的無線網。它預言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術，到2007年將達到30億節(jié)點。具有幾十億個節(jié)點的網絡將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設計過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還

11、考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連接、服務質量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft，其標準也不久將出臺。 2.5 ZigBee網絡設備類型和網絡結構 1). 網絡協(xié)調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最 大、計算能力最強。發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。 2). 全功能設備(FFD)：可以擔任網絡協(xié)調者，形成網絡，讓其它的FFD或是精簡功能 裝置（R

12、FD）連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 3). 精簡功能設備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。 ZigBee網絡拓撲結構包括星形，網狀形和蔟狀形等，一般應用較廣泛的是網狀結構（如圖2所示MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能： l 網絡可以通過“多級跳”的方式來通信 l 該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡 l 網絡還具備自組織、自愈功能 二、 ZigBee技術的優(yōu)勢及應用 3.1 ZigBee技術的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較： IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設計用來構建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數表等設備的無線

13、網絡。這是由其主要技術優(yōu)勢決定的： 1數據傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應用。 2功耗低：在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。 3成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費。 4網絡容量大：每個ZigBee網絡最多可支持255個設備。 5時延短：通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。 6安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。 7有效范圍?。河行Ц采w范圍1075米之間，具體依據實際發(fā)射

14、功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 8工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。 與之相反，藍牙技術基本上只是設計作為有線的替代品，經常是為手機和附近的耳機或PDA聯(lián)網用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不用說幾年了； 一般情況下，藍牙設備需要人手配置和維護網絡連接；它可以用來有效地處理8個設備（一個主設備和7個從設備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。 而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網絡的很好的解決方案，但它的功耗卻非

15、常高。 3.2 ZigBee結合GPRS技術在工業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中的應用案例 3.2.1 GPRS介紹 GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無線服務，它是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念所發(fā)展出的一套無線傳輸方式。所謂的包交換就是將Data封裝成許多獨立的封包，再將這些封包一個一個傳送出去，形式上有點類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的資料量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式，因為象Internet這類的數據傳輸大多數的時間頻寬是間置的。 GPRS是一種新的GSM數據業(yè)

16、務，它在移動用戶和數據網絡之間提供一種連接，給移動用戶提供高速無線IP和X.25分組數據接入服務。GPRS采用分組交換技術，它可以讓多個用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個時隙都用來傳送數據，那么數據速率最高可達164kbs。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數據業(yè)務占用。當然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。 3.2.2 GPRS優(yōu)點 1)、瞬間上網 GPRS的用戶一開機，就始終附著在GPRS網絡上，每次使用時只需一個激活的過程，一般只需要2-3秒的時間馬上就能登錄至互聯(lián)網，而固定撥號方式接入互聯(lián)網需要撥號、驗證用戶

17、名密碼、登錄服務器等過程，至少需要10-15秒甚至更長的時間。 2)、永遠在線 GPRS由于使用了“分組”的技術，用戶上網可以免受斷線的痛苦，因為GPRS是“永遠在線”，就是只要用戶的GPRS模塊處于開機狀態(tài)，就隨時與移動GPRS網絡保持聯(lián)系。 3)、快速傳輸 GPRS采用分組交換的技術，無線網絡的傳輸速率達到了56Kbps-114Kbps，但實際速度受到編碼的限制和終端的限制可能會有所不同。只有同時啟用8個信道進行GPRS傳送時，用戶使用GPRS技術進行數據傳輸時的速率才能達到114Kbps，而一般情況下傳輸速率為56Kbps左右。 4)、按量計費 GPRS技術是一種面向非連接的技術，用戶只

18、有在真正收發(fā)數據時才需要保持與網絡的連接，因此大大提高了無線資源的利用率。同時向“alwaysonline”的終端上網目標邁進了一步，使用了GPRS后，數據實現分組發(fā)送和接受，這同時意味著用戶總是在線且按流量計費，迅速降低了服務成本。 2.3 Zigbee和GPRS結合實現遠距離無線監(jiān)測 ZigBee技術是新興的無線技術，它其中一個重要的應用領域是工業(yè)控制與監(jiān)測。雖然，運用擴頻技術可是使ZigBee的傳輸距離延伸到1000米，可是對于想要達到遠距離監(jiān)控的要求還是滿足不了，因此，GPRS的優(yōu)勢就體現出來了。 運用GPRS技術，可以使技術人員坐在遠距離的辦公室中也可以隨時隨地監(jiān)視設備的運行情況。

19、圖4為ZigBee結合GPRS技術在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應用方案。 ZigBee模塊分為終端節(jié)點和中心節(jié)點； 各個終端節(jié)點將數據透明傳輸至中心節(jié)點； 各個終端節(jié)點可以組成任意的網絡結構，圖中是網狀結構； 中心節(jié)點通過GPRS網絡與控制中心連接，將數據送入數據庫； 若經過專家診斷系統(tǒng)診斷后發(fā)現數據異常，則向技術人員發(fā)出警報，技術人員可以根據警報采取及時的措施，降低損失。3. ZigBee的應用領域與市場發(fā)展 3.3可能應用及市場發(fā)展： ZigBee的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網絡，同時其低耗電性將使產品的電池能維持6個月到數年的時間。在產品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應式網路為主，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應用。通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術： 1設備成本很低，傳輸的數據量很?。?2設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊； 3沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池； 4頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難； 5需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制。 根據ZigBee Alliance的觀點，一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置： 1空調系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動控制； 2老年