基于Zigbee技術的無線傳感器網絡及其應用

摘 要:Zigbee技術是一種新興的短距離無線通信協議，因其功耗低、網絡容量大等優點而更加適用于傳感器網絡。文中系統介紹了Zigbee技術的特點、協議棧架構，協議棧各層的功能，并將Zigbee技術與其他無線通信技術相比較，說明Zigbee技術更適用于無線傳感器網絡。

關鍵詞:無線傳感器網絡Zigbee技術無線通信網絡棧協議

中圖分類號:TP393文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)02(c)-0010-01

1 Zigbee技術的定義

ZigBee技術是近期發展起來的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。

2 Zigbee技術的特點

2.1 功耗低

工作模式情況下，Zigbee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短;在非工作模式時，Zigbee節點處于休眠模式設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。由于工作的時間較短、收發的信息功耗較低且采用了休眠模式，使得Zigbee節點非常省電，Zigbee節點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。

2.2 數據傳輸可靠

Zigbee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性。

2.3 網絡容量大

Zigbee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件Zigbee定義了兩種器件:全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。

2.4 兼容性

Zigbee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器(Coordinator)自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA-CA)方式進行信道接入。

2.5 安全性

Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據。

3 Zigbee的網絡拓撲結構

Zigbee協議主要采用了3種組網方式:星型網、網狀網絡及混合網。在3種網絡結構中，網狀結構網絡大大擴展了無線可能性。網狀結構還有一個主要的優勢，即可靠性。它解決了和無線技術采用有關的許多問題。每一個Zigbee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之問可以進行相互通信;每個網絡節點問的距離可以從標準的75m，擴展后可為兒百米，甚至兒公里;另外整個Zigbee網絡不僅可以“無限’一展開來，而目還可以與現有的其他的各種網絡連接。

4 Zigbee的協議棧結構

完整的Zigbee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議山ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。Zigbee的物理層、鏈路層采用了IEEE802.15.4(無線個人區域網)協議標準，其MAC層單一，物理層多樣，Zigbee在IEEE802.15.4的基礎上進行了完善和擴展，定義了系統的高層，包括網絡層、應用會聚層和高層應用規范。

5 Zigbee技術的協議

(1)應用層

包括3部分:與網絡層連接的APS(應用支持子層Application support sublayer)， Zigbee設備對象(Application Device Object，ZDO)，裝置應用行規。主要負責把不同的應用映射到Zigbee網絡層上。其中包括:安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現及業務發現。

(2)網絡/安全層

由Zigbee聯盟制定，網絡層主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能，支持多種路由算法，支持星形(Star)、樹形(Cluster-Tree)、網格(Mesh)等多種拓撲結構確保MAC層的正確操作，提供合適的連接應用層的接口。

(3)媒體訪問控制層(MAC)

遵循IEEE802.15.4協議;負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束;確認模式的數據傳送和接收;可選時隙，實現低延遲傳輸;支持各種網絡拓撲結構。

(4)物理層(PHY)

IEEE802.15.4定義了2.4 GHz物理層和868915MHz物理層兩個物理層標準，兩個物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率的不同。

總之，Zigbee所具有的短距離、低成本、低功耗、易實現、安全可靠的特點非常適合作為單兵作戰系統中生命子系統的組成部件。不僅能對士兵生命體征數據進行傳輸，后續的技術開發還可以對敵核、生、化武器污染監測數據進行傳輸。

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