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ZigBee系统结构与射频性能分析与射频测试方法.doc
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ZigBee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术。其命名来自于人们对蜜蜂采蜜过程中跳Z字舞的观察。蜜蜂体积小,所需能量小
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ZigBee 系统结构与射频性能分析与射频测试方法
ZigBee 技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术。其命名来自于
人们对蜜蜂采蜜过程中跳“Z”字舞的观察。蜜蜂体积小,所需能量小,又能传送
采集的花粉,因此人们用 ZigBee 代表成本低、体积小、能量消耗小和传输速
率低的无线通信技术。本文对 ZigBee 网络的结构进行了介绍,对 ZigBee 射
频性能进行了分析,并对 ZigBee 射频测试的方法进行了讨论。
1 引言
ZigBee 作为将对 21 世纪产生巨大影响的新技术之一,与传统网络相比,
无线传感器网络是一种以数据为中心的自组织无线网络,具有可快速临时组网、
网络拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施等特点。基于这
些特点,ZigBee 被广泛应用于军事、环境监测、智能家居、建筑物状态监控、
复杂机械监控、城市交通、空间探索,以及机场、大型工业园区的安全检测等
领域。环境监测是无线传感器网络应用的一个方面,传感器网络在环境监测领
域具有非常明显的优势,可以为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小
的环境监测提供一个全新的手段。
ZigBee 技术以其低成本、低功耗、网络容量大、传输时延短和可靠性高
等特点,在环境监测、智能家居、楼宇自动化、工业控制等领域得到广泛应用。
2 ZigBee 技术特点及其网络结构
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(1)ZigBee 的技术特点
●低功耗:由于 ZigBee 的传输速率低,发射功率仅为 1mW,而且采用
了休眠模式,功耗低,因此 ZigBee 设备非常省电。据估算,ZigBee 设备仅
靠两节 5 号电池就可以维持长达 2 年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘
莫及的。
●成本低:ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右,估计很快就能降到
1.5~2.5 美元,并且 ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于 ZigBee 也是一
个关键的因素。
●时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备
时延为 30ms,休眠激活的时延是 15ms,活动设备信道接入的时延为
15ms。因此,ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场
合等)应用。
●网络容量大:一个星型结构的 ZigBee 网络最多可以容纳 254 个从设备
和一个主设备,而且网络组成灵活。
●可靠:采取了碰撞避免策略(CSMA-CA),同时为需要固定带宽的通信业
务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的
数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过
程中出现问题可以进行重发。
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●安全:ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功
能,支持鉴权和认证,采用了 AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定
其安全属性。
(2)ZigBee 网络中的设备和网络拓扑结构
按设备的功能强弱划分为全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。
●全功能设备有更多的存储器、计算能力,具有全部 802.15.4 功能和所
有特性。有控制器的功能,可提供信息双向传输。
●精简功能设备仅附带有限的功能来控制成本和复杂性,只作为终端设备
使用,使用小内存、小协议栈,实现简单。
按设备在网络中的作用划分为 Zig-Bee 协调器、ZigBee 路由器和
ZigBee 终端设备。
●ZigBee 协调器处于网络顶层,它总是处于工作状态,有稳定可靠的电
源供给。包含所有的网络信息,是 3 种设备中最复杂的一种,存储容量大、计
算能力强。能发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信
息等。它们只能由 FFD 承担。
●ZigBee 路由器必须具备数据的存储和转发能力及路由发现能力。除完
成应用任务外,还必须支持其子设备的连接、路由表的维护等。它们只能由
FFD 承担。
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