【文章內(nèi)容簡介】 、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展,傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例, 使用模塊化設(shè)計(jì)思路, 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、短程無線通信技術(shù), 在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用。第三章 ZigBee技術(shù) ZigBee技術(shù)概述 ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進(jìn)行開發(fā)利用。因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁C(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。 ，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這3個(gè)工作頻段相距較大，而且在各個(gè)頻段的信道數(shù)據(jù)不同。因而，該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為868MHz、。，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM：Industial、Scientificand Meducal）頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請的無線電頻段。在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps：另外兩個(gè)頻段為915MHz和868MHz，其相應(yīng)的信道個(gè)數(shù)分別為10個(gè)和1個(gè)，傳輸速率分別為40kbps和20kbps。868MHz和915MHz無線電使用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調(diào)制技術(shù)，（OQPSK）。 在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個(gè)ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16bit短地址或者64bit長地址，可容納的最大設(shè)備個(gè)數(shù)分別為2^16個(gè)和2^64個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。 在無線通信技術(shù)上，采用載波偵聽多路接入。沖突避免（CSMA—CA）方式，有效的避免了無線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。為保證ZigBee設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理[5]。 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn) ZigBee技術(shù)致力于提供一種廉價(jià)的、固定的、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、低成本和低功耗的無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)： (1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kbps250kbps，專注于低傳輸速率應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數(shù)據(jù)。 (2)功耗低。工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短。其次在非工作模式時(shí)ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量僅僅只有1uW。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設(shè)備非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間＋休眠時(shí)間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。 (3)數(shù)據(jù)傳輸可靠ZigBee的介質(zhì)鏈路層（MAC層）采用CSMACA碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)，立刻傳送。發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)。若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 (4)網(wǎng)絡(luò)容量大。ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)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）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）是一種全功能器件，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常為簡化功能器件。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。 (5)自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，無論是節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或者節(jié)點(diǎn)被敵人俘獲，都能使節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)的使用者也希望能在需要的時(shí)候向已有的網(wǎng)絡(luò)中加入新的傳感器節(jié)點(diǎn)。 (6)兼容性。ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽多路接入／沖突避免CSMACA方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。 (7)安全性。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全方式，對于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷，防止攻擊者冒充合法器件。 (8)實(shí)現(xiàn)成本低。模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點(diǎn)，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點(diǎn)的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能。 ZigBee技術(shù)和其它無線網(wǎng)絡(luò)的比較 目前短距離無線通信技術(shù)，除了ZigBee技術(shù)外，還存在有許多其他短距離無線無線技術(shù)，例如藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）、超寬帶無線通信技術(shù)（UWB:UltraWaveBand）、WiFi技術(shù)等，其中大部分已經(jīng)發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。紅外技術(shù)：這是所有技術(shù)中成本最低的，但它的工作距離也最短，只能在視距以內(nèi)，而且中間不能有障礙物。其數(shù)據(jù)率為115200bps。ISM無線技術(shù)：這些廉價(jià)的芯片工作在31433和902到928MHz頻段。還要大量同樣價(jià)廉的模組，但沒有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。對真正的簡單應(yīng)用而言，這是最佳選擇。藍(lán)牙技術(shù)：這種快速（3Mbps）低成本技術(shù)的典型使用距離在10到100米間。其技術(shù)高度成熟，具有多種規(guī)范，并能提供PAN adhoc（非網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）聯(lián)網(wǎng)能力[6]。WiFi:,它的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。盡管比較昂貴，但WiFi具有達(dá)54Mbps的極高數(shù)據(jù)率和最大的覆蓋范圍（100米）。WiFi收發(fā)器的功耗較大，集成到網(wǎng)狀也比較困難。UWB:超寬帶，現(xiàn)在已有芯片和模組產(chǎn)品。它的速度極高（100到480Mbps）,但覆蓋距離很短（小于10米），這決定了它往往被用作消費(fèi)產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)（USB）解決方案。目前沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。ZigBee:這是最新技術(shù)。它選擇了低速率（250kbps）來換取低功耗和固有網(wǎng)狀能力。隨著批量的逐步增加，其價(jià)格下降。在所有無線技術(shù)中，它的潛力最大。 短距離無線通信的比較種類ZigBee藍(lán)牙WiFi現(xiàn)有移動(dòng)通信單點(diǎn)覆蓋距離50300M（幾公里）10M50M可達(dá)幾公里網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性自動(dòng)擴(kuò)展無無依靠現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)覆蓋電池壽命數(shù)年數(shù)天數(shù)小時(shí)數(shù)天傳輸速率250Kbps可達(dá)1Mbps111Mbps頻段868/915MHz、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)65000850網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)無無無有安全性128bitAES或用戶在應(yīng)用層定義64bit、128bitService Set ID (SSID)使用成本低低一般高 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu) ZigBee協(xié)議棧由一個(gè)子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。它雖然是基于標(biāo)準(zhǔn)的7層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型（OSI），但僅對涉及ZigBee的層予以定義。：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。其中，應(yīng)用層框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）及由制造商制定的應(yīng)用對象。 ZigBee體系結(jié)構(gòu)模型相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實(shí)現(xiàn)要求很低。最低需求估計(jì)為：硬件需要8位處理器，如8051；軟件需要32KB的ROM，最小軟件需要4KB的ROM，如CC2430芯片具有8051內(nèi)核的、內(nèi)存從32KB到128KB的ZigBee無線單片機(jī)；網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)表以及與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)器。ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個(gè)電子設(shè)備的無線網(wǎng)，它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)，2007年ZigBee節(jié)點(diǎn)達(dá)到30億個(gè)。具有幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已不夠用的IPv4地址空間。因此。ZigBee協(xié)議比較緊湊、簡單，從總體框架來看，可分為三個(gè)基本層次：物理層（PHY）/介質(zhì)接入控制層（MAC）、ZigBee堆棧層和應(yīng)用層。PHY層/MAC層位于最底層，應(yīng)用層位于最高層。物理層與物理傳輸媒介（這里主要指無線電波）相關(guān)，負(fù)責(zé)物理媒介與數(shù)據(jù)比特的相互轉(zhuǎn)化，以及數(shù)據(jù)比特與上層（數(shù)據(jù)鏈路層）數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化。MAC層負(fù)責(zé)尋址功能，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)決定數(shù)據(jù)發(fā)送的目的地址，接收數(shù)據(jù)時(shí)判定數(shù)據(jù)的源地址。此外也負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包和數(shù)據(jù)幀的裝配以及接收到的數(shù)據(jù)幀的解析。ZigBee堆棧層由網(wǎng)絡(luò)層與安全平臺(tái)組成，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、路由、安全相關(guān)的幾個(gè)堆棧層組成。應(yīng)用層包含在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的應(yīng)用程序，賦予節(jié)點(diǎn)自己的功能。應(yīng)用層的主要功能是將輸入轉(zhuǎn)化為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或者將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化輸出。 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)體系 （PHY）ZigBee的物理層規(guī)范了通信頻率。兩個(gè)物理層都基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum）技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。，無須申請的 ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。，能夠提供250kbps的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐率，縮短了通信時(shí)延和數(shù)據(jù)收發(fā)的時(shí)間，所有更加省電。868MHz是歐洲附加的ISM頻段，915MHz是美國附加的ISM頻段。868MHz上的傳輸速率為20kbps，916MHz上的傳輸速率則是40kbps。物理層提供兩個(gè)服務(wù)：PHY數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY管理服務(wù)，PHY管理服務(wù)和物理層管理實(shí)體(PLME)接口。PHY數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無線信道上接收和發(fā)送PHY協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs)，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：無線收發(fā)信機(jī)的激活和去激活；在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI)，用在接收的數(shù)據(jù)包上；清除信道估計(jì)(CCA)算法用在CSMA／CA技術(shù)中；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。IEEE在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在2．4GHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用的是16相位正交調(diào)制技術(shù)(OQPSK)；在915MHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為40kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)；在868MHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbps，采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個(gè)從MAC層到物理層無線信道的接疊。從圖3．3可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層管理實(shí)體服務(wù)的接入點(diǎn)。通過這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD—SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；透過物理層管理實(shí)體(PLME)服務(wù)的接入點(diǎn)(PLME．SAP)為物理層管理提供服務(wù)。數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn) 物理層管理實(shí)體無線射頻—服務(wù)接入點(diǎn)物理層個(gè)體網(wǎng)絡(luò)基本信息 物理層 物理層結(jié)構(gòu)模型表3．2給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層載荷三部分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有MAC層數(shù)據(jù)包，載荷部分的最大長度是127字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。表3．2物理層數(shù)據(jù)包格式4字節(jié)1字節(jié)1字節(jié)變量前同步碼幀定界符幀長度（7位）預(yù)留位（1位）PSDU同步包頭物理層包頭物理層凈物荷3．2．2 IEEE802．15．4媒介接入控制層(MAC)在IEEE802系列中，OSl參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分力MAC和LLC兩個(gè)子層。MAC子層便用物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián))和非連接(取消關(guān)聯(lián))的服務(wù)。IEEE802．15．4 MAC子層實(shí)現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開。確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗(yàn)與快速自動(dòng)請求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時(shí)隙管理以及廣播信息管理等。MAC子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)