ZigBee无线网络技术及应用


0. 引言
　　 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。如今，很多业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
　　 这么多年来，无线技术已经发展出很多不同的分支，应用于很多不同的领域。原本很多技术都只用于消费电子通信，比如，CDMA/GPRS，WI-FI，Bluetooth等，然而现在，随着工业控制的需要，其中的某些无线技术也根据需要应用到了工业领域中。就好像下面将要介绍的ZigBee和GPRS技术一样。通过运用这些技术可以解决传统控制由于没有通讯功能，无法实现集中监控的问题，将运行维护人员从大量繁琐的工作中解放出来，大大减少了系统停用带来的不良影响。

1. IEEE 802.15.4和ZigBee介绍
　　 IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。
1.1 802．15．4协议架构及其技术特点
　　 IEEE802．15．4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示) 。 IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。
　　 IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

1.2 ZigBee技术概述
　　 ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
　　 完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：
　　 (1) 安全与鉴权；
　　 (2) 多个业务数据流的会聚；
　　 (3) 设备发现；
　　 (4) 业务发现。
　　 网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议,应包含以下功能：
　　 (1) 通用的网络层功能:拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；
　　 (2) 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电；
　　 (3) 有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
　　 相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计：
　　 (1) 8位处理器；
　　 (2) 协议套件软件需要32kbytes的ROM；
　　 (3) 最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；
　　 (4) 网络主节点需要更多的RAM，容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
1.3 ZigBee网络设备类型和网络结构
　　 1). 网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最
大、计算能力最强。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、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。
　　 2). 全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能
装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
　　 3). 精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。
ZigBee网络拓扑结构包括星形，网状形和蔟状形等，一般应用较广泛的是网状结构（如图2所示 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能：
l 网络可以通过“多级跳”的方式来通信
l 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络
l 网络还具备自组织、自愈功能

1.4 ZigBee技术的优势
　　 IEEE 802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的：
　　 (1) 数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。
　　 (2) 功耗低:在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用六个月到两年，免去了
充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
　　 (3) 成本低:ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。
　　 (4) 网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
　　 (5) 时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
　　 (6) 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。
　　 (7) 有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
　　 (8) 工作频段灵活:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
　　 图3给出了ZigBee和其他几种无线技术的特点，从中也可以看出ZigBee相比之下显示出的优势。 2. ZigBee结合GPRS技术在工业监测系统中的应用案例
2.1 GPRS介绍
　　 GPRS的英文全称为General Packet Radio Service，中文含义为通用分组无线服务，它是利用“包交换”（Packet-Switched）的概念所发展出的一套无线传输方式。所谓的包交换就是将Data封装成许多独立的封包，再将这些封包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包