【文章內容簡介】 、嵌入式技術、傳感器技術的發(fā)展,傳感器正逐漸向智能化、微型化、無線網絡化發(fā)展。本文以溫度傳感器為例, 使用模塊化設計思路, 實現(xiàn)了一個無線傳感器網絡。這種傳感器網絡綜合了嵌入式技術、傳感器技術、短程無線通信技術, 在實際中有著廣泛的應用。第三章 ZigBee技術 ZigBee技術概述 ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，網絡層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應用層的開發(fā)應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發(fā)利用。因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。 ，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而且在各個頻段的信道數據不同。因而，該項技術標準中，各頻段上的調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、醫(yī)學（ISM：Industial、Scientificand Meducal）頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段。在該頻段上，數據傳輸速率為250kbps：另外兩個頻段為915MHz和868MHz，其相應的信道個數分別為10個和1個，傳輸速率分別為40kbps和20kbps。868MHz和915MHz無線電使用直接序列擴頻技術（DSSS）和二進制相移鍵控（BPSK）調制技術，（OQPSK）。 在組網性能上，ZigBee可以構造為星形網絡或者點對點對等網絡，在每一個ZigBee組成的無線網絡中，連接地址碼分為16bit短地址或者64bit長地址，可容納的最大設備個數分別為2^16個和2^64個，具有較大的網絡容量。 在無線通信技術上，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，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。為保證ZigBee設備之間通信數據的安全保密性，ZigBee技術采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理[5]。 ZigBee技術的特點 ZigBee技術致力于提供一種廉價的、固定的、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、低成本和低功耗的無線通信技術。這種無線通信技術具有如下特點： (1)數據傳輸速率低。只有10kbps250kbps，專注于低傳輸速率應用。無線傳感器網絡不傳輸語音、視頻之類的大數據量的采集數據，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數據。 (2)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(fā)時間很短。其次在非工作模式時ZigBee節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有1uW。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。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設備非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應用場合，ZigBee技術在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時間和總時間（工作時間＋休眠時間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。 (3)數據傳輸可靠ZigBee的介質鏈路層（MAC層）采用CSMACA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，立刻傳送。發(fā)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(fā)生了碰撞，將再傳一次。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸的可靠性。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。 (4)網絡容量大。ZigBee的低速率、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）。網絡協(xié)調器（Coordinator）是一種全功能器件，而網絡節(jié)點通常為簡化功能器件。如果通過網絡協(xié)調器組建無線傳感器網絡，整個網絡最多可以支持超過65000個ZigBee網絡節(jié)點，再加上各個網絡協(xié)調器可互相連接，整個ZigBee網絡節(jié)點的數目將十分可觀。 (5)自動動態(tài)組網、自主路由。無線傳感器網絡是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網絡，而且網絡的使用者也希望能在需要的時候向已有的網絡中加入新的傳感器節(jié)點。 (6)兼容性。ZigBee技術與現(xiàn)有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協(xié)調器自動建立網絡，采用載波偵聽多路接入／沖突避免CSMACA方式進行信道接入。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。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數據。在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數據凈荷，防止攻擊者冒充合法器件。 (8)實現(xiàn)成本低。模塊的初始成本估計在6美元左右，且ZigBee協(xié)議免專利費用。無線傳感器網絡中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網絡的強大功能。 ZigBee技術和其它無線網絡的比較 目前短距離無線通信技術，除了ZigBee技術外，還存在有許多其他短距離無線無線技術，例如藍牙技術（Bluetooth）、超寬帶無線通信技術（UWB:UltraWaveBand）、WiFi技術等，其中大部分已經發(fā)展到標準級的網絡技術。紅外技術：這是所有技術中成本最低的，但它的工作距離也最短，只能在視距以內，而且中間不能有障礙物。其數據率為115200bps。ISM無線技術：這些廉價的芯片工作在31433和902到928MHz頻段。還要大量同樣價廉的模組，但沒有標準協(xié)議。對真正的簡單應用而言，這是最佳選擇。藍牙技術：這種快速（3Mbps）低成本技術的典型使用距離在10到100米間。其技術高度成熟，具有多種規(guī)范，并能提供PAN adhoc（非網狀結構）聯(lián)網能力[6]。WiFi:,它的應用領域廣泛。盡管比較昂貴，但WiFi具有達54Mbps的極高數據率和最大的覆蓋范圍（100米）。WiFi收發(fā)器的功耗較大，集成到網狀也比較困難。UWB:超寬帶，現(xiàn)在已有芯片和模組產品。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產品中的視頻和高速數據（USB）解決方案。目前沒有網狀網絡能力。ZigBee:這是最新技術。它選擇了低速率（250kbps）來換取低功耗和固有網狀能力。隨著批量的逐步增加，其價格下降。在所有無線技術中，它的潛力最大。 短距離無線通信的比較種類ZigBee藍牙WiFi現(xiàn)有移動通信單點覆蓋距離50300M（幾公里）10M50M可達幾公里網絡擴展性自動擴展無無依靠現(xiàn)有網絡覆蓋電池壽命數年數天數小時數天傳輸速率250Kbps可達1Mbps111Mbps頻段868/915MHz、網絡節(jié)點數65000850網絡使用費無無無有安全性128bitAES或用戶在應用層定義64bit、128bitService Set ID (SSID)使用成本低低一般高 ZigBee協(xié)議棧結構 ZigBee協(xié)議棧由一個子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。它雖然是基于標準的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）和介質接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計。其中，應用層框架包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）及由制造商制定的應用對象。 ZigBee體系結構模型相對于常見的無線通信標準，ZigBee協(xié)議套件緊湊而簡單，具體實現(xiàn)要求很低。最低需求估計為：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內核的、內存從32KB到128KB的ZigBee無線單片機；網絡主節(jié)點需要更多的RAM以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息、數據包轉發(fā)表、設計關聯(lián)表以及與安全有關的密鑰存儲器。ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可以連接每個電子設備的無線網，它預言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術，2007年ZigBee節(jié)點達到30億個。具有幾十個節(jié)點的網絡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，可分為三個基本層次：物理層（PHY）/介質接入控制層（MAC）、ZigBee堆棧層和應用層。PHY層/MAC層位于最底層，應用層位于最高層。物理層與物理傳輸媒介（這里主要指無線電波）相關，負責物理媒介與數據比特的相互轉化，以及數據比特與上層（數據鏈路層）數據幀的相互轉化。MAC層負責尋址功能，發(fā)送數據時決定數據發(fā)送的目的地址，接收數據時判定數據的源地址。此外也負責數據包和數據幀的裝配以及接收到的數據幀的解析。ZigBee堆棧層由網絡層與安全平臺組成，由于網絡拓撲結構、路由、安全相關的幾個堆棧層組成。應用層包含在網絡節(jié)點上運行的應用程序，賦予節(jié)點自己的功能。應用層的主要功能是將輸入轉化為數字數據，或者將數字數據轉化輸出。 ZigBee協(xié)議結構體系 （PHY）ZigBee的物理層規(guī)范了通信頻率。兩個物理層都基于直接序列擴頻（DSSS,Direct Sequence Spread Spectrum）技術，使用相同的物理層數據包格式。，無須申請的 ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。，能夠提供250kbps的傳輸速率，從而提高了數據吞吐率，縮短了通信時延和數據收發(fā)的時間，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。物理層提供兩個服務：PHY數據服務和PHY管理服務，PHY管理服務和物理層管理實體(PLME)接口。PHY數據服務：在物理無線信道上接收和發(fā)送PHY協(xié)議數據單元(PPDUs)，物理層負責下面的任務：無線收發(fā)信機的激活和去激活；在當前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質量指示(LQI)，用在接收的數據包上；清除信道估計(CCA)算法用在CSMA／CA技術中；信道頻率選擇；數據發(fā)送和接收。IEEE在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調制方式等相關要求。在2．4GHz的物理層，數據傳輸速率為250kbps，采用的是16相位正交調制技術(OQPSK)；在915MHz的物理層，數據傳輸速率為40kbps，采用的是帶有二進制移耜鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術；在868MHz的物理層，數據傳輸速率為20kbps，采用的是帶有二進制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從MAC層到物理層無線信道的接疊。從圖3．3可以看到，在物理層中存在數據服務接入點和物理層管理實體服務的接入點。通過這兩個服務接入點提供如下服務：通過物理層數據服務接入點(PD—SAP)為物理層數據提供服務；透過物理層管理實體(PLME)服務的接入點(PLME．SAP)為物理層管理提供服務。數據服務接入點物理層實體服務接入點 物理層管理實體無線射頻—服務接入點物理層個體網絡基本信息 物理層 物理層結構模型表3．2給出了物理層數據包的格式。ZigBee物理層數據包由同步包頭、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(前導碼)和數據包(幀)定界符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調整；物理層包頭指示載荷部分的長度，物理層載荷部分含有MAC層數據包，載荷部分的最大長度是127字節(jié)。如果數據包的長度類型為5字節(jié)或大于8字節(jié)，那么物理層服務數據單元(PSDU)攜帶MAC層的幀信息，即MAC層協(xié)議數據單元。表3．2物理層數據包格式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參考模型的數據鏈路層又被分力MAC和LLC兩個子層。MAC子層便用物理層提供的服務實現(xiàn)設備之間的數據幀層的基礎上，在設備之間提供面向連接(關聯(lián))和非連接(取消關聯(lián))的服務。IEEE802．15．4 MAC子層實現(xiàn)包括設備間無線鏈路的建立、維護和斷開。確認模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗與快速自動請求重發(fā)(ARQ)，預留時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：網絡協(xié)調器產生并發(fā)送網絡信標