无线传感网络Zigbee技术研究

刘钦

[摘 要] 主要介绍了无线传感网络技术的发展现状、ZigBee技术规范。作为新兴的短距离、低功耗、低成本的无线通信技术，ZigBee已广泛应用于工业控制，消费性电子，家电自动化，医疗监控等领域，具有快速传输、稳定可靠、可维护性好等特点。

[关键词] 无线传感器网络；ZigBee；无线通信

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 03. 064

[中图分类号] TN923 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）03- 0156- 02

0 绪 论

无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有广阔的应用前景，是目前非常活跃的一个领域。无线传感器网络由大量体积小、能耗低、具有无线通信、传感和数据处理功能的传感器节点组成。这些传感器节点集成有传感器、数据处理单元和通信模块，它们通过无线信道相连，自组织地构成网络系统。不仅可以节省费用和时间，而且，改变温湿度传感器节点测量位置、增加或减少传感器节点数目都非常方便。

1 概 述

1.1 论文研究的背景以及意义

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里检测对象的信息，并发送给观察者。

传感器节点利用其内置的形式多样的传感器，测量所在周边环境的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，检测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众多人们感兴趣的物理现象。通过网关，传感器网络还可以连接到现有的网络基础设施上，从而将采集到的信息回传给远程的终端用户使用。

1.2 研究现状及发展趋势

无线传感器网络的研究具有很强的试验科学的特点。传统的互联网研究已经具有很长的历史，利用已有的基础化设施，为新的研究搭建大规模的物理试验床（如组播应用研究的Mbone）和虚拟网络试验环境（如P2P研究的Plant Lab）相对比较容易。但无线传感器网络是一种全新的网络技术，与传统的互联网差别较大，甚至网络体系结构都将截然不同，因此无线传感器网络研究可继承的资源也就十分有限，研制网络节点，搭建一定规模的试验床自然成了无线传感器网络研究初期的一个主要任务。到目前为止，已经出现了众多节点试验平台。

2 本课题关键技术

2.1 ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。采用了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；增加了逻辑网络、网络安全和应用层。主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等场合。ZigBee可使用的频段有三个，分别是2.4 GHz的ISM频段、欧洲的868 MHz频段以及美国的915频段，而不同频段可使用的信道分别是16，1，10个，在中国采用2.4 GHz频段，是免申请和免使用费的频率。由于工作周期较短，且采用休眠模式，收发信息功耗较低，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。由于对时延进行了优化处理，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。ZigBee采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙，数据传输可靠性高。中间访问控制层采用完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。ZigBee提供三级安全模式，使用接入控制清单，防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES-128）的对称密码，以灵活地确定其安全性。

2.1.1 ZigBee協议架构

ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准，其目的是为了适用于低功耗，无线连接的监测和控制系统。这一协议标准由ZigBee联盟维护。IEEE 802.15.4是ZigBee协议的底层标准，主要规范了物理层和MAC层的协议，其标准由国际电工学协会IEEE组织制定并推广。ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250 kbps，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近的应用；ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常适合的。在IEEE 802.15.4标准的基础上，ZigBee定义了系统的高层，包括可采用的网络结构、安全层、应用汇聚层和高层应用规范。ZigBee设备应该包括IEEE 802.15.4的物理层（PHY）和媒质接入控制层（MAC），以及ZigBee堆栈层：网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。

PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测、链路质量、信道选择、清除信道评估，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接收。MAC层的具体特征是信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开连接请求，且为应用提供合适的安全机制方法。

IEEE 802.15.4的数据链路层分成逻辑链路控制（LLC）和媒介访问控制（ MAC）两个子层。IEEE 802.15.4的MAC层采用了简单灵活的协议，以保证低成本、易实现、低功耗等特点。IEEE 802.15.4的MAC子层支持多种逻辑链路层（LLC）标准，通过SSCS （Service-Specific Convergence Sublayer业务相关的汇聚子层）协议承载IEEE 802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4的MAC层的服务，MAC层与硬件联系紧密，依赖于不同的物理层而实现。其中LLC在IEEE 802.6标准中定义，为IEEE 802标准所共用。IEEE 802.15.4的MAC层为了增加灵活性，支持64 bit的IEEE地址和16 bit的短地址两类地址。

ZigBee网络中所有设备都被分配以唯一的64 bit的IEEE地址，此地址的分配是动态的。16 bits的局部地址处理起来更方便，节约功耗。一旦网络建立，可以使用短地址使网络，可以支持超过65 000个节点。

网络层通过使用MAC层提供的各种功能保证MAC层各种功能的正确执行，完成建立和维护网络的任务，并向应用层提供服务。网络层内部在逻辑上有两部分组成，即网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）。网络层数据实体能够通过访问服务接入点提供数据服务；网络管理层实体通过网络层管理实体服务接入点提供网络管理服务，网络管理实体利用网络层数据实体完成网络维护，并完成对网络信息库的维护和管理。

ZigBee应用层框架包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和用户所定义的应用对象。应用支持子层的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务与需求将它们匹配地连接起来。ZigBee设备对象（ZDO）的功能为定义设备在网络中的作用（如是ZigBee协调器还是终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向它们提供何种应用服务。

2.1.2 ZigBee的技术参数及优势

ZigBee是为建立一种可靠的、高性价比的、低功耗的，可以实现监测和控制的无线网络而制定的，是一套完整的、开放的、全球统一的标准，是被全球公认的具有互操作性的解决方案，适用于家庭自动化与远程控制领域，其主要技术参数如表1所示。

主要参考文献

[1]陈伟歌，阎有运，陈朝军.基于ZigBee技术的仓库温度监测系统[J].现代电子技术，2008，31（12）：47-48.

[2]李磊. 一类无线传感网络节点设计及其在设备监控中的应用研究[J].长沙：國防科学技术大学，2007：23-24.

[3]孟庆斌，潘勇.基于 CC2430 的分布式无线温度测量系统设计.电子测量技术，2009（5）：128-130.

[4]崔莉，鞠海玲，苗勇，等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005，42（1）：163-174..

[5]D Lohman.Zigbee Smart Energyprofile Specification[M].Zigbee Alliance，2008.

[6]金海红. 基于Zigbee的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究[D].合肥：合肥工业大学.2007：30-32.

[7]夏少波，许娥.基于ZigBee 的无线传感器网络研究[J].山东通信技术，2009，9（4）：9-12.

[8]刘琼，周之光，朱志伟.基于CC2430的低功耗 Zig Bee无线传感器网络节点的设计[J].湖南工业职业技术学院学报，2009，9（5）：15-16.