基于ZigBee的短距离无线通信网络技术dkcx.docx

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1、基于ZiigBeee的短短距离无无线通信信网络技技术20077年111月5日日 099:000 中国国联通网网站一、引言言近年来，各各种无线线通信技技术迅猛猛发展，极极大提高高了人们们的工作作效率和和生活质质量。然然而，在在日常生生活中，我我们仍然然被各种种电缆所所束缚，能能否在近近距离范范围内实实现各种种设备之之间的无无线通信信?纵观观目前发发展较成成熟的几几大无线线通信技技术，往往往比较较复杂，不不但耗费费较多资资源，成成本也比比较高，并并不适用用于短距距离无线线通信的的场合。蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业

2、控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术ZigBee。该技术主要针对低速率传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。 二、ZZigBBee技技术的特特点及应应用 ZiggBeee技术主主要用于于无线个个域网（WWPANN），是是基于IIEEEE8022.155.4无无线标准准研制开开发的。IIEEEE8022.155.4定定义了两两个底层层，即物物理层和和媒体接接入控制制（MeediaaAcccesss Coontrrol，MMAC）层层；ZiigB

3、eee联盟盟则在IIEEEE 8002.115.44的基础础上定义义了网络络层和应应用层。ZZigBBee联联盟成立立于20001年年8月，该该联盟由由Invvenssys、三三菱、摩摩托罗拉拉、飞利利浦等公公司组成成，如今今已经吸吸引了上上百家芯芯片公司司、无线线设备公公司和开开发商的的加入，其其目标市市场是工工业、家家庭以及及医学等等需要低低功耗、低低成本、对对数据速速率和QQoS（服服务质量量）要求求不高的的无线通通信应用用场合。 ZiggBeee这个名名字来源源于蜂群群的通信信方式：蜜蜂之之间通过过跳Ziigzaag形状状的舞蹈蹈来交互互消息，以以便共享享食物源源的方向向、位置置和距离

4、离等信息息。与其其它无线线通信协协议相比比，ZiigBeee无线线协议复复杂性低低、对资资源要求求少，主主要有以以下特点点： 低功耗耗：这是是ZiggBeee的一个个显著特特点。由由于工作作周期短短、收发发信息功功耗较低低、以及及采用了了休眠机机制，ZZigBBee终终端仅需需要两节节普通的的五号干干电池就可可以工作作六个月月到两年年。 低成本本：协议议简单且且所需的的存储空空间小，这这极大降降低了ZZigBBee的的成本，每每块芯片片的价格格仅2美美元，而而且ZiigBeee协议议是免专专利费的的。 时延短短：通信信时延和和从休眠眠状态激激活的时时延都非非常短。设设备搜索索时延为为30mms

5、，休休眠激活活时延为为15mms，活活动设备备信道接入入时延为为15mms。这这样一方方面节省省了能量量消耗，另另一方面面更适用用于对时时延敏感感的场合合，例如如一些应应用在工工业上的的传感器器就需要要以毫秒秒的速度度获取信信息，以以及安装装在厨房房内的烟烟雾探测测器也需需要在尽尽量短的的时间内内获取信信息并传传输给网网络控制制者，从从而阻止止火灾的的发生。 传输范范围小：在不使使用功率率放大器器的前提提下，ZZigBBee节节点的有有效传输输范围一一般为110-775m，能能覆盖普普通的家家庭和办办公场所所。 数据传传输速率率低：22.4GGHz频频段为2250kkb/ss，9115MHHz

6、频段段为400kb/s，8868MMHz频频段只有有20kkb/ss。 数据传传输的可可靠性由由于ZiigBeee采用用了碰撞撞避免机机制，同同时为需需要固定定带宽的的通信业业务预留留了专用用时隙，从从而避免免了发送送数据时时的竞争争和冲突突。MAAC层采采用完全全确认的的数据传传输机制制，每个个发送的的数据包包都必须须等待接接收方的的确认信信息，保保证了节节点之间间传输信信息的高高可靠性性。 ZiggBeee的出现现将给人人们的工工作和生生活带来来极大的的方便和和快捷，它它以其低低功耗、低低速率、低低成本的的技术优优势，适适合的应应用领域域主要有有： 家庭和和建筑物物的自动动化控制制：照明明

7、、空调调、窗帘帘等家具具设备的的远程控控制以使使其更加加节能、便便利，烟烟尘、有有毒气体体探测器器等可自自动监测测异常事事件以提提高安全全性； 消费性性电子设设备：电电视、DDVD、CCD机等等电器的的远程遥遥控（含含ZiggBeee功能的的手机就可可以支持持主要遥遥控器功功能）。 PC外外设：无无线键盘盘、鼠标标、游戏戏操纵杆杆等； 工业控控制：利利用传感感器和ZZigBBee网网络使数数据的自自动采集集、分析析和处理理变得更更加容易易； 医疗设设备控制制：医疗疗传感器器、病人人的紧急急呼叫按按钮等； 交互式式玩具。 三、ZZigBBee协协议栈 ZiggBeee协议栈栈结构（图图1）是是基

8、于标标准OSSI七层层模型的的，包括括高层应应用规范范、应用用汇聚层层、网络络层、媒媒体接入入层和物物理层。 图1 ZiigBeee协议议栈 IEEEE8002.115.44定义了了两个物物理层标标准，分分别是22.4GGHz物物理层和和8688/9115MHHz物理理层。两两者均基基于直接接序列扩扩频（DDireectSSequuencceSppreaad SSpecctruum，DDSSSS）技术术。8668MHHz只有有一个信信道，传传输速率率为200kb/s；9902MMHz9288MHZZ频段有有10个个信道，信信道间隔隔为2MMHz，传传输速率率为400kb/s。以以上这两两个频段

9、段都采用用BPSSK调制制。2.4GHHz22.48835 GHzz频段有有16个个信道，信信道间隔隔为5MMHz，能能够提供供2500kb/s的传传输速率率，采用用O-QQPSKK调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。 四、ZZigBBee网网络配置置 低数据据速率的的WPAAN中包包括两种种无线设设备：全全功能设设备（FFFD）和和精简功功能设备备（RFFD

10、）。其其中，FFFD可可以和FFFD、RRFD通通信，而而RFDD只能和和FFDD通信，RRFD之之间是无无法通信信的。RRFD的的应用相相对简单单，例如如在传感感器网络络中，它它们只负负责将采采集的数数据信息息发送给给它的协协调点，并并不具备备数据转转发、路路由发现现和路由由维护等等功能。RRFD占占用资源源少，需需要的存存储容量量也小，成成本比较较低。 在一个个ZiggBeee网络中中，至少少存在一一个FFFD充当当整个网网络的协协调点，即即PANN协调点点，ZiigBeee中也也称作ZZigBBee协协调点。一一个ZiigBeee网络络只有一一个PAAN协调调点。通通常，PPAN协协调点

11、是是一个特特殊的FFFD，它它具有较较强大的的功能，是是整个网网络的主主要控制制者，它它负责建建立新的的网络、发发送网络络信标、管管理网络络中的节节点以及及存储网网络信息息等。FFFD和和RFDD都可以以作为终终端节点点加入ZZigBBee网网络。此此外，普普通FFFD也可可以在它它的个人人操作空空间（PPOS）中中充当协协调点，但但它仍然然受PAAN协调调点的控控制。ZZigBBee中中每个协协调点最最多可连连接2555个节节点，一一个ZiigBeee网络络最多可可容纳6655335个节节点。 五、ZZigBBee网网络的拓拓扑结构构 ZiggBeee网络的的拓扑结结构主要要有三种种，星型型

12、网、网网状（mmeshh）网和和混合网网。 星型网网（图22-a）是是由一个个PANN协调点点和一个个或多个个终端节节点组成成的。PPAN协协调点必必须是FFFD，它它负责发发起建立立和管理理整个网网络，其其它的节节点（终终端节点点）一般般为RFFD，分分布在PPAN协协调点的的覆盖范范围内，直直接与PPAN协协调点进进行通信信。星型型网通常常用于节节点数量量较少的的场合。 Messh网（图图2-bb）一般般是由若若干个FFFD连连接在一一起形成成，它们们之间是是完全的的对等通通信，每每个节点点都可以以与它的的无线通通信范围围内的其其它节点点通信。MMeshh网中，一一般将发发起建立立网络的的

13、FFDD节点作作为PAAN协调调点。MMeshh网是一一种高可可靠性网网络，具具有“自自恢复”能能力，它它可为传传输的数数据包提提供多条条路径，一一旦一条条路径出出现故障障，则存存在另一一条或多多条路径径可供选选择。 图2 ZiigBeee拓扑扑结构 Messh网可可以通过过FFDD扩展网网络，组组成Meesh网网与星型型网构成成的混合合网（图图2-CC）。混混合网中中，终端端节点采采集的信信息首先先传到同同一子网网内的协协调点，再再通过网网关节点点上传到到上一层层网络的的PANN协调点点。混合合网都适适用于覆覆盖范围围较大的的网络。 六、ZZigBBee组组网技术术 ZiggBeee中，只只

14、有PAAN协调调点可以以建立一一个新的的ZiggBeee网络。当当ZiggBeeePANN协调点点希望建建立一个个新网络络时，首首先扫描描信道，寻寻找网络络中的一一个空闲闲信道来来建立新新的网络络。如果果找到了了合适的的信道，ZZigBBee协协调点会会为新网网络选择择一个PPAN标标识符（PPAN标标识符是是用来标标识整个个网络的的，因此此所选的的PANN标识符符必须在在信道中中是唯一一的）。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个ZigBee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。Zi

15、gBee网络中的所有节点都有一个64bitIEEE扩展地址和一个16 bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。 ZiggBeee协调点点选定了了网络地地址后，就就开始接接受新的的节点加加入其网网络。当当一个节节点希望望加入该该网络时时，它首首先会通通过信道道扫描来来搜索它它周围存存在的网网络，如如果找到到了一个个网络，它它就会进进行关联联过程加加入网络络，只有有具备路路由功能能的节点点可以允允许别的的节点通通过它关关联网络络。如果果网络中中的一个个节点与与网络失失去联系系后想要要重新加加入网络络，它可可以进行行孤立通通知过程程重新

16、加加入网络络。网络络中每个个具备路路由器功功能的节节点都维维护一个个路由表表和一个个路由发发现表，它它可以参参与数据据包的转转发、路路由发现现和路由由维护，以以及关联联其它节节点来扩扩展网络络。 ZiggBeee网络中中传输的的数据可可分为三三类：周周期性数数据，例例如传感感器网中中传输的的数据，这这一类数数据的传传输速率率根据不不同的应应用而确确定；间间歇性数数据，例例如电灯灯开关传传输的数数据，这这一类数数据的传传输速率率根据应应用或者者外部激激励而确确定；反反复性的的、反应应时间低低的数据据，例如如无线鼠鼠标传输输的数据据，这一一类数据据的传输输速率是是根据时时隙分配配而确定定的。为为了

17、降低低ZiggBeee节点的的平均功功耗，ZZigBBee节节点有激激活和睡睡眠两种种状态，只只有当两两个节点点都处于于激活状状态才能能完成数数据的传传输。在在有信标标的网络络中，ZZigBBee协协调点通通过定期期地广播播信标为为网络中中的节点点提供同同步；在在无信标标的网络络中，终终端节点点定期睡睡眠，定定期醒来来，除终终端节点点以外的的节点要要保证始始终处于于激活状状态，终终端节点点醒来后后会主动动询问它它的协调调点是否否有数据据要发送送给它。在在ZiggBeee网络中中，协调调点负责责缓存要要发送给给正在睡睡眠的节节点的数数据包。 七、结结束语 ZiggBeee技术还还在不断断完善，它

18、它所具有有的低功功耗、低低成本、使使用便捷捷等显著著的技术术优势，使使它必将将有着广广阔的应应用前景景。ZiigBeee联盟盟预言在在未来的的四到五五年内，每每个家庭庭将拥有有50个个ZiggBeee器件，最最后将达达到每个个家庭1150个个。相信信在不久久的将来来，基于于ZiggBeee技术的的产品会会走进全全球每家家每户，在在提高我我们的生生活质量量方面作作出突出出的贡献献。 参考文文献 1ZiggBeeeAllliannce，ZZigBBeeSSpeccifiicattionn. 2ZiggBeeeoveerviiew.htttp：/wwww.ZZigBBee.orgg/doocummentts/ZZigBBeeOOverrvieew4.pdff 3ZiggBeeeArcchittecttureeanddSpeecifficaatioon OOverrvieew，hhttpp：/wwww.ZiigBeee.oorg/doccumeentss/ZiigBeee aarchhiteectuure andd sppeciificcatiionss ovvervvieww.pppt