基于ZigBee技术的传感器无线信息采集 - 图文(4)

基于ZigBee技术的传感器无线信息采集

由于ZigBee具备自身完善的通讯标准，其被认为是最有可能应用在智能家居、传感网络、安全系统等领域之中。ZigBee技术的主要特点：

(1) 功耗低：由于其传输速率低，发射功率仅仅为1mV，并且采用了休眠技术，这是其他无线设备所不能匹及的。

(2) 传输速率低：介于10Kbps~250Kbps之间，相比其他无线通信技术速率极低。

(3) 成本低：由于协议的大幅度简化，减少了对网络中心控制单位的依赖，并且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

(4) 网络容量大：ZigBee可采用星状、点对点型拓扑方式，一个协调器可以在其覆盖的通信范围内管理至多不超过254个子节点；网状结构中，节点可有父辈节点进行管理，进而组成一个六万五千节点的大网。

(5) 时延短：ZigBee有着极快的响应速度，正常情况下从休眠状态被唤醒进入工作状态间隔15ms，节点30ms即可完成入网过程，很大程度上节约了电能。作为比较，平均蓝牙用时3～10s、WiFi用时 3 s。

(6) 安全：ZigBee具有三级安全模型，分别为没有安全设置、访问控制列表（ACL）的使用来防止数据和使用高级加密标准（AES128）的对称密码，从而确定安全性能的灵活性。

(7) 自组网：ZigBee组网方式灵活，网络结构发生变化时，能构建新的网络拓扑结构。

2.3 ZigBee组网通信方式

ZigBee采用一种自组网方式，犹如一队伞兵队员在降落之前每个人配备一个ZigBee的节点模块，降落到地面上之后，彼此之间尚在网络通讯模块的通信范围之内，每个人的节点模块就会通过固定协议发送搜索信号自动寻找，短时间内就可以组成一个互相联通的ZigBee网络，整个网路不是固定不变的，由于人员的流动，节点信息会随着节点间连接信息的变化不断更新，变化的节点开始寻找新的网络连接，形成一个新的网络，完成了对旧网络的刷新。这就是自组织网。

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节点间的通道并不是一成不变的，也不仅仅只有一条，实际上在应用中，并不能保证每条线路都能够畅通无阻，就像城市的街道一样，会因为突发车祸、道路临时维修情况导致这条道路的交通出现暂时拥堵甚至中断，然而通往目的地的道路不只有一条，车辆（传输数据单元）可以迅速查找可替代的道路到达终点。这一点在工业现场控制中尤为重要。

自组网所使用的动态路由的指的是数据传输的路径并不是在数据单元发送之前就事先设定一成不变的，而是数据单元传输之前，节点路由会对查询路由表，通过对网络状况的连接状况进行搜索，综合分析各个节点距离的远近，最终选择一条最佳路径完成数据的传输。使用管理软件，通过“梯度法”的路径选择，并优先向最近的路径来完成数据的传输，如果发送失败，然后选择较近距离路径传输，以此类推，直到数据被送达到目的地址[4]。在实际应用中，预先设定的传输路径并不是一成不变的，往往会因为各种原因导致路径中断，或者通道过于拥堵导致数据无法传送的情况时有发生。一个很好地解决方法就是采用动态路由方式与网络拓扑结构相互结合互补的通信方式，进而保证数据的可靠传输。

2.4 ZigBee协议的体系结构

在ZigBee的体系结构中，各模块构成称为层，即采用分层结构。模型的最下面的两层，即物理层(PHY) 和媒体介质访问层(MAC)，是基于IEEE 802.15.4标准定义的[5]。协议的网络层(NWK)、应用层(APL)架构ZigBee联盟则是由定义，APL包括应用支持子层(APS)和ZigBee设备对象(ZDO)。应用框架中增加了用户自定义的应用对象[6]。图2.1所示为ZigBee协议的体系结构。

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图 2.1 ZigBee 协议的体系结构

2.4.1 物理层

ZigBee网络的通信频率由网络层（NKW）设定的， 有三个载波频段[7]，依次为868MHz、915MHz和2.4GHz。每个频段都以不同的速率发送和接收数据，对应于20 kbit/s，40 kbit / s和250 kbit／s。三个频段一共定义了27个物理信道，每个频段上的物理信道数目不同， 这当中包括868MHz频段中定义了的一个0号信道，915MHz频段在每间隔2MHz定义的1-10号信道，2.4GHz频段定义了剩余5MHz间隔的16个信道。物理层承担了底层较多的功能，包括无线电收发机的休眠和激活、链接质量指示(LQI)、通信过程中对信道能量的扫描和检测(ED)、基于免碰撞载波侦听多路访问机制（CSMA-CA）对空闲信道评估、信道频率选择、数据发送和接收[8]。 2.4.2 MAC层

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图2.2 MAC层参考模型

MAC层协议规范提供两种服务:数据传输服务(MCPS)和数据管理服务(MLME)。

在MAC层的功能主要包括：同步设备，设备的维护和信标网络协调器可以生成并发送网络信标，为设备提供支持服务的安全性，使用CSMA-CA机制访问模式的渠道，两个等价MAC层实体之间建立可靠的通信链路，维护处理保护时隙（GTS）机制[9]。MAC帧格式主要分为三个部分:MAC帧头，MAC帧负载和MAC帧尾。其具体结构如图2.2所示。

图2.2 MAC帧的通用格式

帧控制域长度为16 bits，规定了帧类型、目的地址模式以及源地址模式等[10]。序列号域的长度为8 bits，给帧赋予了独一的序列标识号，仅仅在确认该帧序列号与前一次传输数据帧的序列号相同的情况下时，方能判断成功完成数据传输业务。目的PAN标示符规定为16 bits，作为标识接收帧设备的网络特定标识符，只有标识符相吻合的情况下才能正确接收该帧。地址域中目的地址的长度为16或64 bits，利用帧控制域中规定的目的地址方式(16位短地址或64位网络地址)，确定接收方

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的网络地址[11]。0xFFFF表示的是广播短地址，能够被当前频道中的所有设备所接收。源PAN标识符长度为16bits，标识出当前数据发出帧设备的网络唯一标识符。设备源地址域是用16位或者64位网络地址标识出发出数据的设备地址。净荷是待发送数据存储的地方，其长度随着帧的类型和将要发送数据包的长度的变化二变化。帧校验域是一个16位、采用循环冗余方式进行校验，通过MAC帧头和MAC净荷计算得到的。 2.4.3 网络层

网络层的功能是建立网络、维护ZigBee网络的连接、同时决定网络拓扑结构的模型。从ZigBee协议栈的体系结构上得知，网络层处于IEEE 802.15.4标准的MAC层之上，拥有一个重要接口，其上是应用层，网络层具有承上启下的作用，是学习ZigBee技术以及协议栈协议的关键。网络层通过数据服务实体(NLDE)和管理服务实体(NLME)完成这一层的功能，实现与应用层可靠安全的信息交换，进行更好的通信。网络层参的考模型如图2.3所示。

图2.3 网络层的参考模型

数据服务实体（NLDE）主要提供数据传输服务，允许一个设备传输应用协议数据单元给位于同一个网络中的另一个或者多个设备。数据服务实体可以提供通信路由和网络协议数据单元传输业务。管理服务实体(NLME)的主要服务是交互式

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