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甚低功耗无线通信技术-ZigBee.docx
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甚低功耗无线通信技术——ZigBee
摘要:ZigBee 技术作为无线传感器网络的主要支撑技术获得人们广泛的关注。完整的
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。网络
层以上协议由 ZigBee 联盟制订,物理层和媒体访问控制(MAC)层采用 IEEE 802.15.4 标准。
IEEE802.15.4 物理层简单采用比特到符号映射技术、符号到码片序列转换技术、偏移正交
相移键控(OQPSK)调制技术,无须信道编码等复杂算法;MAC 层采用载波监听多址-冲突
避免技术,支持休眠模式。整个协议的设计使得 ZigBee 技术具有数据传输速率低、功耗低、
成本低等特点,更加适合于工业监控系统、传感器网络、家庭监控系统、安全系统等应用。
关键词:无线传感器网络;ZigBee 技术;IEEE 802.15.4 协议;物理层;多址接入控制
基金项目:北京市自然科学基金项目(4062023)
Abstract:ZigBee, an important technology supporting wireless sensor networks, has
drawn broad attention. A complete ZigBee’s protocol suite consists of high-layer
application specifications, the application convergence layer, the network layer, the
data link layer, and the physical layer. ZigBee Alliance focuses on defining the
protocols above the network layer. The Physical (PHY) layer and the Media Access
Control (MAC) layer are defined by the IEEE 802.15.4 standard. The IEEE 802.15.4
physical layer adopts technologies of mapping from bit to symbol, conversion from
symbol to chip sequence and Offset Quadrature Phase-shift Keying (OQPSK)
modulation, avoiding such complex algorithms as channel coding. The IEEE
802.15.4 MAC layer adopts Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
(CSMA-CA) technology and supports the sleeping mode. ZigBee enables low data
rates, low power consumption and cost-effectiveness, and is more applicable to
industrial monitoring system, sensor networks, home monitoring system and
security system.
Key words:wireless sensor network; ZigBee technology; IEEE 802.15.4; the physical
layer; multiple access control
近十几年来,无线与移动通信以前所未有的速度迅猛发展。随着各种便携式个人通信设备与
家用电器设备的增加,人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时,对短距离的无线与移
动通信又提出了新的需求,使得短距离无线通信异军突起,包括无线局域网、蓝牙技术、移
动 Ad Hoc 网、超宽带(UWB)以及 ZigBee 技术等各种热点技术相继出现,均展现出各自巨
大的应用潜力。其中,低速率、低功耗、低成本的ZigBee 技术作为无线传感器网络的主要
支撑技术获得广泛的关注[1-4]。
ZigBee 是短距离通信的一种新兴技术。它使用 2.4 GHz 波段,采用跳频技术。与蓝牙相比,
ZigBee 更简单、功率及费用也更低,能够比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭
自动化应用。人们期望能在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统和玩具等领域拓展
ZigBee 的应用[5]。
ZigBee 的技术特点在于:
·数据传输速率低,只有 10~250 kb/s。
·功耗低。在低耗电待机模式下,两节普通 5 号干电池可使用 6 个月到 2 年,免去了充电或
者频繁更换电池的麻烦。
·成本低。ZigBee 数据传输速率低,协议简单,且免收专利费,所以大大降低了成本。
·网络容量大。每个 ZigBee 网络最多可支持 255 个设备。
·时延短。通常时延为 15~30 ms。
·安全。ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用先进加密标准-128(AES-128)加密
算法。
·有效范围小。有效覆盖范围 10~75 m,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用
模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
·工作频段灵活。使用频段为 2.4 GHz、868 MHz(欧洲)及 915 MHz(美国),均为免执照频
段。
1 ZigBee 协议
1.1 ZigBee 协议框架
ZigBee 协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务:一个数据实体提供数
据传输服务,一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为
其上层提供服务接口,并且每个 SAP 提供了一系列的基本服务指令来完成相应的功能。
ZigBee 协议栈的体系结构[6]如图 1 所示。它虽然是基于标准的七层开放式系统互联(OSI)
模型,但仅对那些涉及 ZigBee 的层予以定义。IEEE 802.15.4-2003 标准[7]定义了最下面
的两层:物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee 联盟提供了网络层和应用层(APL)
框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee 设备对象(ZDO)和由制
造商制订的应用对象。
相比于常见的无线通信标准,ZigBee 协议套件紧凑而简单,具体实现的要求很低。以下是
ZigBee 协议套件的需求估计:硬件需要 8 位处理器,如 80c51;软件需要 32 kB 的 ROM,
最小软件需要 4 kB 的 ROM;网络主节点需要更多的 RAM 以容纳网络内所有节点的设备
信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
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