基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现 - 硕士学位论文 - 图文(6)

茔上!!业竺堡查塑兰塑星!!墨竺堡垒兰至坐

2 ZigBee技术和zStack协议栈 21 ZigBee技术基础知识

211 Zigl3ee发展概述

近十年来，随着半导体按术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离无线通信技术。为了满足对低功率，低价格无线网络的需求，2000年12月，IEEE标准委员会正式批准成立T80215 412作组，其目标是：在廉价的、倒定或便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输率的无线接人标准。也就是要开发一种低速率的WPAN(LR-WPAN，Low．Rate Wireless Pe嚣onal Area Network)标准。

《曰

妒，～，

—；≤■：_

目21 ZigBee与其他无线标准的对比

Fig2I ThecomparisonofZigBeeandotherwirelessstandards

2002年，英匡]Invensys公司、日本二菱电气公司、美囤摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司茫同宣布组成ZigBee技术联盟，共同研究开发ZigBee技术。

2003年11月，IEEE正式发布了该项技术的物理层,≠DMAC层所采用的标准胁议．即

IEEE802 I 5 4

协议标准，作为ZigBee技术物理层和媒体接入层的标准协议；2004年12月，

ZigBee鞋盟在IEEES02 15．4协议基础上，止式发布了完整的zlgBee标准。2006年IEEE发布了IEEE802 1 54阱议标准修U版。

大连理工大学硕士学位论文

从ZigBee与其他无线标准的对比图2．1中，可以看到ZigBee技术在无线标准体系

中的位置。

2．1．2 ZigBee技术特点

IEEE802．15委员会制定了三种不同的WPAN(Wireless Personal AreaNetwork)标准，区别在于通信速率、QoS能力等。802．15．1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到PDA的通信，其QoS机制适合于话音业务。802．15．3标准是高速率的WPAN 标准，适合于多媒体应用，有较高的QoS保证。802．15．4标准也就是ZigBee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和 QoS的要求不高。ZigBee的主要技术特征如表2．1所示。

表2．1 ZigBee的主要技术特征

Tab．2．1 The main technology character ofZigBee

特性

频段 取值／状态

868／915MHz和2．4GHz868MHz：20kbps

数据速率 915MHz：42kbps2．4GHz：250kbps

868／9 1 5MHz：BPSK

调制方式

2．4GHz：O-QPSK

扩频方式 通信范围 通信延时 直接序列扩频 10．100m 15-30ms 868MHz：l

信道数目 915MHz-10

2．4GHz：16

寻址方式 信道接入 64bitlEEE地址，16bit网络地址CSMA／CA和时隙化的CSl＼dA／

星形、树状、网状

极低 激活／休眠

CA 网络拓扑 功耗 状态模式

选择ZigBee技术进行项目开发，是基于其具有的诸多性能优点。具体来讲，可总

结如下【15】：

基于ZigBee技术的室内定位系统研究与实现

(1)数据传输速率低。ZigBee技术的最大传输速率只有250kbps，专注于低速率传

输应用。

(2)设备省电，功耗极低。ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

(3)通信可靠性高，数据安全。ZigBee采用了CSMA．CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机 制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，因此通信可靠性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES．128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性。

(4)网络的自组织、自愈能力强。ZigBee网络无需人工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络。ZigBee网络增加或者删除～个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

(5)时延短，设备接入网络快。通常时延都在15ms到30ms之间，因此设备接入网络和数据传送的延时时间很短，适合实时的监测和控制应用。

(6)成本低廉，工作频段灵活。设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，可以有效地降低设备成本。ZigBee的工作频段灵活，使用的频段分别为2．4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

(7)网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee 节点可以与数万节点相连接，可以说网络容量极其庞大，尤其适用大规模无线传感器网

络。

2．2 IEEE802．1 5．4协议栈和ZigBee协议栈概述

2．2．1 IEEE802．15．4协议栈 LR．WPAN是一种结构简单、低成本、低功耗的无线

通信网络，它的存在使得无线

连接在低功耗和低数据吞吐量的应用中成为可能。为了满足这些需求，IEEE802．15．4 I 作组为LR—WPAN专f-JN定了物理层和MAC子层的标准。它具备以下主要特征【9】： (1)实现20kb／s、40kb／s、100kb／s、250kb／s四种不同的传输标准。 (2)支持星型和点到点两种拓扑结构。 (3)在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由协调

器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址。

大连理工大学硕士学位论文

(4)采用可选的时槽保障(GTS，Guaranteed Time Slots)机制。

(5)采用带冲突避免的载波侦听多路访Whl(CSMA．CA．，Carrier Sense Multiple Access

with Collision Avoidance)的信道访问机制。

(6)支持ACK机制以及保证可靠传输。(7)低功耗机制。(8)信道能量检测(ED，EnergyDetection)。

(9)链路质量指示(LQI，Link quality indication)。

(10)工作在ISM频段上，其中在2450MHZ波段上有16个信道，在915MHZ频段上有30个信道，在868MHZ上有3个信道。

(11)数据安全策略。

IEEE802．1 5．4网络协议栈基于开放系统互连模型(OSI)【9，161，如图2．2所示，每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。

高层协议

‘令

IEEE802．2LLC

J L

善

SSCS

一拿

毫～。?“i。。。“一。、H r1

e蝴m供《‘”l ”～g””-zt。”

j MAe ：：‰*蝴薯

士 7一Mj。”r’‘ PHY

．瓿砧。菇j缸蠢矗．^—≈h一缸螗。张采磊娩1矗0井。。鬣

一。私。j’z臻

’‘

士

图2．2 IEEE802．1 5．4协议栈架构

Fig．2．2 Framework of IEEES02．1 5．4 Protocol Stack

IEEE802．15．4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以

及底层的控制模块构成。物理层的特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。MAC子层为高层访问物理信道提供点 …… 此处隐藏：2216字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……