基于ZigBee无线网络应用的探究

信息

科霉Ⅵ删爿一纛

基于Zi gB e e无线网络应用的探究

陈远

(吉林大学珠海学院计算机科学与技术系广东珠海519041)

[捕耍】随着信息化的发展，有线网络逐步被无线网络所替代，特别在于低速率的传感网络和控制网络中．详细介绍一种自组织、低功耗和低成本的Z i gB ee无线网络的应用。

[关键词】Zi g B ee网络自组织网络传感网络控制网络嵌入式

中围分类号：T P3文献标识码：A文章编号：1671-7597(2008)1210060—01

近年来，基于无线通信技术迅猛发展，嵌入式电子设备互联网络已极大地提高了人们的工作效率和生活水平。Z i gB ee网络足一种低传输速率的自组织无线个域网(W PA N)，主要适用于控制、传感和监测等领域。可采用2．4G全球免费频段，最大传输速率可达250K bps，已经足够大多数嵌入式设备的网络数据的传输要求。基于I E EE802．15．4，具有数据传输可靠、网络容量大、兼容性、安伞性、成本低等特点。

一、标准的Zi gB e e啊培协议简介

zi g B ee网络与目前常用的T C P／I P协议有很大的不同，可以归纳为以下三点进行简单说明：

1、Z i g B ee协议的体系结构：物理层(PH L)、媒体访问控制层(M A C)、网络层(H W K)和应用层(A PL)。其中PH L层和M A C层使用I E EE802．15．4标准，而唧K层和APL层由Z i gB ee联盟制定。

2、zi g B ee协议的拓扑结构：星形拓扑结构、树状拓扑结构和网状拓扑结构。开发者根据不同的应用需求而选择相应的网络拓扑结构，可以有效地降低成本和提高系统运行效率。

3、Z i g B ee网络中的设备按功能分类可以分为两类：具有完整功能的全功能设备(Fu l l Funct i on D e vi ce，FFD)和只具有部分功能的精简功能设备(R educe Func t i on D evi ce，R FD)。FFD主要担任网络中的路由器、协调器，而R FD主要担任网络中的终端设备。

二、Z i gB ee罔培协议栈优化

(一)标准zi邱ee协议因需求而精简，可以提高系统运行的效率

建立网络需要协调器，数据的中转需要路由器。那么就可以根据应用需求对网络层次进行精简。现在支持z j gBee协议的芯片大多都已经集成了PH L层与M A C层，例如：T I公司的C C2430等等。基于该种芯片之上，进行开发可以有效地减少系统开发的时间。

(二)利用zi gB e e网络的网状拓扑结构，可提高系统的易用性

由于Z i gBee协议是一种叮移动的自组织网络，这种小碰局域网的节点与节点之间不需要经过基站或其它管理控制设备就可以直接实现点对点的通信，具有很高的鲁棒性。结合Zi gB e e的网状拓扑结构可以使用户无需对设备进行网络设置而直接入网使用，大大地提高了系统的易用性。

三、结合实时的撮作系统

(--)选择一款合适的实时操作系统

在大鼍的嵌入式系统中．往往还具有实时性的要求，采用的主要还是实时的操作系统。常见到的实时性强的操作系统就有uc O S、Ti nyO S、E CO S等等。笔者曾经采用的是一款是由国内G udo Sof t开源杜区开发的G u doO S实时操作系统。

(--)开源的G udoO$操作系统介绍

G udoO S是由G udoSof t开源社区(w w w．gudosof t．C0111)针对小型嵌入式产品而进行研发的实时操作系统。GudoOS是可剥夺型的实时内核，其源代码绝大部分是使用移植性很强的A NSI c编写，使G u doO S方便地移植到其他微处理器上。目前，GudoO S已经被移植到A R M和5l微处理器上高效运行。

(三)Z i gB ee协议与实时操作系统的接口

每个网络节点都基于相同的架构：应用程序、zi gB ee协议栈、操作系统、驱动与操作系统移植代码。其中操作系统需要为Z i gB ee协议栈一般晟少提供两个任务进程，一个是用于发送，另一个是用于接收。在U ni x、W i ndow s等操作系统中都提供Soc ket网络接口。但由于在Z i gB e eM络节点，一般采用类似6udo O S／b型操作系统，都不具备Sock et接口，但是可以利用直接调用原语的方式进行接收与发送数据。

圈、一终节点的电臻f理

(一)网络节点电源的重要性

在网络节点中，电源通常都作为网络系统的核心。特别对于Zi gBee网络．节点往往是使用电池的方式供电．需要电源使用时间长，低功耗，省电的要求，符合了这些要求才能做到传输速度和质量的稳定性。基于T I公司的C C2430芯片开发，该芯片内部硬件提供电量检测，可以实时地监测到网络节点的电量。

(二)网络节点的供电方式与管理

对于网络节点．由于它具有可移动性，一般也就采用锂电池或干电池供电，对于C C2430来说，要求电压在2v至J3．6V之间，可以使片j两节5号电池供电。结合相应的电源管理．在任务执行完毕的情况下．设备进入睡眠状态，当接收到数据时，再转化为活跃状态，以减少不必要的功耗。在一般的应用情况下，经过测试与估算，两节5号电池可以使用一年以上。

五、罔络t据传I_安全性

Zi gB ee安全体系结构分别对M A C层、N’『I(层、A PS层安全服务进行描述。其中A PS层负责安全体系的建立和安全关系的维护，Z D O负责安全策略和设备的安全配置。

(一)M A C层安全性

当M A C层对帧进行加密处理时，戍要按照I E EE802．15．4协议标准。在M A C层中主要有C CM*模式，它是CC M模式的一种变形，它保留了C C M模式的所有特点，同时允许不同的安全级别使用相同的一个密钥。在Z i gB ee协议中，当采用了C C M*模式时，M A C、N w K和APS层都是使用同一个密钥。

(二)H帐层安全性

N W K层的最主要任务就是实现点到点的数据传输。它的安全处理一般采用高级加密标准(A E S)和M A C层提到的C C M*模式．使用的安全级别由N I B属性的n w kSe cur i t yL e vel决定。网络层的上层通过设置当前密钥和可选密钥、安全级别等来管理网络层安全服务。

(三)A P$层安全性

A PS层(A ppl i cat i on Suppor t Sub—L ayer)是A PL层的一个子层．它的安全服务任务主要有两个：一个是对传输的应用层帧进行加密：二是对应用程序和Z D O提供密钥的建立、传输和设备管理服务等。根据不同的应用需求，可采用预先设置密钥或通过网络传输密钥．可以应用于不同的安全级别上的应用．

六、培柬语

zi g B ee是一种低速率无线个域网技术，它适用于传输数据量少、传输速度较低、高安全性、高可靠性、成本和功耗非常低，并容易使用的嵌入式设备。在目前的情况下，Z i gB ee技术已得到了众多厂商的大力支持，Z i g B ee联盟已拥有100多家成员，并且还在不断地增加。Zi gBee技术可以应用于家庭、工业、医疗、学校等等领域，具有十分广阔的发展前景。

参考文献：

[1]文全刚，汇编语言程序设计～基于删体系结构[M]．北京；北京航空航天大学出版．2007．．

[2]吕治安t Z i gBee网络原理与应用开发[M]．北京：北京航空航天大学出版，2008．