【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率， GHz頻段。相對其它幾種無線通信技術(shù)，UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于室內(nèi)通信、高速無線LAN、家庭網(wǎng)絡(luò)、無繩電話、安全檢測、定位、雷達(dá)等領(lǐng)域。 幾種無線通信技術(shù)對比 上文介紹了7種重要的短距離無線通信技術(shù)，為了更好的分析對比它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)，表11列舉了它們的主要參數(shù)：由列表數(shù)據(jù)對比得出結(jié)論：對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)試驗性研究來說，WiFi優(yōu)勢明顯，但是這項應(yīng)用才剛起步，而且造價比較昂貴，一般性研究支付不起。UWB傳輸速率高，功耗低，但是也是價格昂貴；紅外由于傳輸定向性強(qiáng)特點(diǎn)，不太適合；藍(lán)牙也是比較昂貴，并且傳輸距離太??；RFID技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是與WSN結(jié)合還沒有開展開，仍需等待；HomeRF更適合于家庭網(wǎng)絡(luò)；而對于ZigBee技術(shù)來說，最適合于WSN，成本不是很高，而且硬件產(chǎn)品、模型、協(xié)議等都比較簡單，易于開發(fā)。本文將對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初步研究，下文將對ZigBee技術(shù)和WSN方案進(jìn)行敘述。表11 幾種短距離無線通信技術(shù)的比較技術(shù)名稱工作頻段傳輸范圍(米)傳輸速率（Mbps）功耗(mW)主要應(yīng)用藍(lán)牙1011 100個人網(wǎng)絡(luò)紅外1016幾毫瓦透明的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸ZigBee928MHz10100 （加強(qiáng)型達(dá)幾千米）13傳感器網(wǎng)絡(luò)WiFi10011100個人網(wǎng)絡(luò)傳感器網(wǎng)絡(luò)RFID135KHz/距離多樣無需供電識別、計時、圖書館管理、快遞管理、公路自動收費(fèi)等HomeRF10GHz50121000以下家庭網(wǎng)絡(luò)UWB GHz小于10數(shù)百M(fèi)bps至數(shù)Gbps1以下家庭、檢測、定位、探距等 本文結(jié)構(gòu)組織 第一章對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的背景、體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、特點(diǎn)等方面進(jìn)行了介紹，并比較了幾種重要的無線通信技術(shù)。第二章對ZigBee/、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)配置、組網(wǎng)、路由等方面進(jìn)行了介紹。第三章對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件部分進(jìn)行了設(shè)計。第四章對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件部分進(jìn)行了設(shè)計，并通過兩個實驗，來驗證所設(shè)計系統(tǒng)的可靠性和可行性。第五章提出了幾種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，并對全文進(jìn)行總結(jié)和展望。 本章小結(jié) 本章首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的起源、應(yīng)用前景和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡單介紹。接著從體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及其關(guān)鍵問題等方面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了概述。另外，本章還介紹了幾種重要的短距離無線通信技術(shù)，并對它們做了對比分析。 最后，本章對全文的文章組織和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹，對全文起到了提綱挈領(lǐng)的作用，使文章的內(nèi)容更加清晰、一目了然。第二章 ZigBee/ ZigBee/ZigBee技術(shù)的名字源自蜂群（Bee）在發(fā)現(xiàn)花粉時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。后來人們就將這種低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)成為ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層(PHY)和媒體接入控制（MAC），網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟[7]制定。，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，分別為868MHz。，分為16個頻段，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（ISM，Industrial Scientific and Medical）頻段，該頻段為免費(fèi)、免申請的無線電頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用偏移四相相移鍵控調(diào)制技術(shù)（OQPSK）；另外兩個頻段86915MHz分別適用于歐洲和美國，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為1個信道和10個信道，傳輸速率分別為20kbps和40kbps，分別采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)和二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)調(diào)制技術(shù)。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造成星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16位短地址或者64位長地址，可容納的最大設(shè)備個數(shù)分別為216個和264個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。ZigBee采用載波偵聽多路訪問/沖突避免 (CSMA/CA)方式，有效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)采用了三級安全性措施，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)相對其它無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)有著鮮明的特點(diǎn)：l 低功耗。這是ZigBee技術(shù)最為顯著的一個特點(diǎn)，由于它采用了休眠喚醒機(jī)制，大大減少能量消耗，兩節(jié)5號電池可支持一個節(jié)點(diǎn)624個小時。現(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee提供電源。l 低成本。ZigBee作為WSN的一種重要技術(shù)，成本低是它的一大優(yōu)勢，每個 ZigBee芯片的成本最低能達(dá)到十幾元人民幣，并且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，這為ZigBee技術(shù)的開發(fā)研究和發(fā)展奠定了很好的基礎(chǔ)。l 傳輸速率低。Zigbee工作在20～250 kbps的較低傳輸速率,分別提供250 kbps()、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。l 短距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間,在增大射頻功率后,可達(dá)到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。l 短時延。Zigbee 的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。l 高容量:。ZigBee可采用星型、樹型和Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若千個子節(jié)點(diǎn)，一個主節(jié)點(diǎn)最多可以管理254個子節(jié)點(diǎn)，同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65536個節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。l 高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。l 免執(zhí)照頻段。采用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) ?；赯igBee這些特點(diǎn)（前面我們已經(jīng)對幾種無線通信技術(shù)做過比較），目前ZigBee技術(shù)最適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。 ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖21所示，網(wǎng)絡(luò)層、加密層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制定。圖21 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu) l 物理層：ZigBee PHY提供了兩種類型的服務(wù)，即通過物理層管理實體接口對PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)。圖22是ZigBee物理層的結(jié)構(gòu)模型。PHY層的具體功能是：激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；對信道的能量進(jìn)行檢測；對收到的數(shù)據(jù)包有鏈路質(zhì)量指示；空閑信道評估；載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)協(xié)議；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收等。圖22 ZigBee物理層結(jié)構(gòu)模型[8] l MAC層。ZigBee MAC層也提供了兩種類型的服務(wù)：通過MAC層管理實體服務(wù)接入點(diǎn)向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務(wù)。MAC層的具體功能是：信標(biāo)管理；信道接入；時隙連接請求；使用載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)信道訪問機(jī)制；為兩個對等MAC實體提供可靠的連接。l 網(wǎng)絡(luò)層。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的具體功能是：設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時所采用的機(jī)制；在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制；設(shè)備之間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交；對一跳（onehop）鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲。l 應(yīng)用層。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（Application Support SubLayer,APS），應(yīng)用框架（Application Framework,AF）和ZigBee設(shè)備對象（ZigBee Device Object,ZDO）。APS主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)單元的處理和傳輸以及應(yīng)用對象的綁定。ZDO是一個公共服務(wù)接口，提供了一個公共的功能集，為用戶自定義的應(yīng)用對象提供一個調(diào)用APS和網(wǎng)絡(luò)層的接口。AF為用戶自定義的應(yīng)用程序提供一個模板式的活動空間，通過鍵值對和報文兩種服務(wù)方式。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)化為輸出。 ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)配置 Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含兩種功能設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。有了這些基本的知識和功能單元，我們就可以對ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)。 兩種功能設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)兩種功能類型的設(shè)備。l 全功能設(shè)備(FFD)：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。，更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由器作用，也能用作終端設(shè)備。l 精簡功能設(shè)備(RFD)：RFD卻只能與FFD通訊附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性，在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。 三種節(jié)點(diǎn)類型 ZigBee網(wǎng)絡(luò)含三種類型的節(jié)點(diǎn)：協(xié)調(diào)器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和終端設(shè)備ZE(ZigBee EndDevice)，其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD)，而終端設(shè)備選用精簡功能設(shè)備(RFD)。l 協(xié)調(diào)器ZC：一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間、計算能力和電能。l 路由器ZR：主要實現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點(diǎn)只有在樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。l 終端設(shè)備ZE：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。 三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切危W(wǎng)形和簇形三種結(jié)構(gòu)，如圖23所示，從左到右依次是星形，網(wǎng)形和簇形。圖23 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)l 星形網(wǎng)絡(luò)。所有的設(shè)備都與中心網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備通信，實際上在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中路由器是沒有路由作用的。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備一般由電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人機(jī)外設(shè)以及個人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。l 網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。在對方的無線輻射范圍內(nèi)，任何兩個FFD設(shè)備之間直接通信，在Mesh網(wǎng)絡(luò)中每一個FFD設(shè)備都可以認(rèn)為是網(wǎng)絡(luò)路由器，都可現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)報文的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，Mesh網(wǎng)在構(gòu)建時比較復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)所要維護(hù)的較多。l 簇形網(wǎng)絡(luò)。它實際上可以看做是一個復(fù)雜的星形網(wǎng)絡(luò)，一個擴(kuò)展的星形拓?fù)浠蚴莻€簡單的星形網(wǎng)絡(luò)組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在簇形網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)設(shè)備、器由設(shè)備和終端設(shè)備的功能清晰，相對于Mesh網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建簇形網(wǎng)絡(luò)比較簡單，所需的資源相對較少，并且可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，從而也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。 兩種工作模式 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)(Beacon)和非信標(biāo)(Nonbeacon)兩種模式。信標(biāo)模式實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度的功耗節(jié)省，而非信標(biāo)模式則只允許終端設(shè)備ZE進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器ZC和所有路由器ZR設(shè)備必須長期處于工作狀態(tài)。信標(biāo)模式下，ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時間(一般在15ms4mins之間)向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動區(qū)的各時槽內(nèi)發(fā)送。非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實現(xiàn)ZE的周期性(周期可設(shè)置)休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。 ZigBee組網(wǎng) 基本通信原語ZigBee協(xié)議是分層的通信協(xié)議，層與層之間是通過服務(wù)接入點(diǎn)SAP相連接的。每一層都可以通過本層和下一層的SAP調(diào)用下層所提供的服務(wù)，同時通過與上層的SAP通信，為上層提供相應(yīng)服務(wù)。SAP是層與層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)是以通信原語的形式供層與層之間調(diào)用。在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語。這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。層與層之間的通信原語分為以下四種,它們之間的關(guān)系圖如圖24所示：圖24 通信原語之間的關(guān)系Request：請求原語，用于上層向本層請求指定的服務(wù)。Confirm：確認(rèn)原語，用于本層響應(yīng)上層發(fā)出的請求原語。Indication：指示原語，本層發(fā)給上層，用來指示本層的某一內(nèi)部事件。Response：響應(yīng)原語，用于上層響應(yīng)本層發(fā)出的指示原語。 原語遵循“”的規(guī)則，比如“”表示物理層數(shù)據(jù)請