基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2008/5/29 0:00:00 訪問次數(shù):387
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引言 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的市場(chǎng)發(fā)展在邏輯上可分為而向語(yǔ)音的市場(chǎng)和面向數(shù)據(jù)的市場(chǎng)兩類。在許多以數(shù)據(jù)傳輸為主的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，小型、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛。zigbee是其中一種具有代表性的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)由ieee 802.15.4規(guī)定。zigbee協(xié)議比藍(lán)牙、高速率pan(個(gè)人局域網(wǎng))或者ieee 802.11x無(wú)線局域網(wǎng)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。 1 ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和zigbee技術(shù) ieee的無(wú)線pan工作組制定的ieee 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是zigbee技術(shù)的基礎(chǔ)，目的是為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10 m左右的低速連接。 1.1 ieee 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn) ieee 802.15.4滿足iso(國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織)osi(開放系統(tǒng)互連)參考模式。它定義了單一的mac(媒體訪問控制)層和多樣的物理層。 ieee 802.15.4的mac層能支持多種llc標(biāo)準(zhǔn)，通過sscs(業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層)協(xié)議承載ieee802.2類型1的llc標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他llc標(biāo)準(zhǔn)直接使用ieee 802.15.4的mac層服務(wù)。 ieee 802.15.4定義了2.4 ghz物理層和868／915 mhz物理層2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它們都基于dsss(直接序列擴(kuò)頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。915／868 mhz頻段是基于差分編碼的bpsk(二進(jìn)制相移鍵控)，2.4 ghz頻段采用十六進(jìn)制正交調(diào)制。2.4 chz頻段共有16個(gè)不同的信道為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ism(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，采用高階調(diào)制技術(shù)能提供250 kbit／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更省電。868 mhz是歐洲的ism頻段，只有1個(gè)信道，915 mhz是美國(guó)的ism頻段，有10個(gè)信道，引入這2個(gè)頻段避免了2.4 ghz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868 mhz傳輸速率為20 kbit／s，916 mhz傳輸速率為40 kbit／s。這2個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小，因此可降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。 1.2 zigbee技術(shù) zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，zigbee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。 zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 a) 物理層：遵循ieee 802.15.4協(xié)議，是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著與外界直接作用的任務(wù)，控制rf收發(fā)器工作，采用擴(kuò)頻通信，信號(hào)傳輸距離為室內(nèi)50 m，室外150 m。 b) mac層：遵循ieee 802.15.4協(xié)議，負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址。 c) 網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧，使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址，保證節(jié)點(diǎn)之間的同步，提供網(wǎng)絡(luò)的路由，保證數(shù)據(jù)的完整性，使用可選的aes-128對(duì)通信加密。 d) 應(yīng)用層：應(yīng)用支持層維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信，根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。 2 zigbee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) zigbee支持星形網(wǎng)、對(duì)等網(wǎng)和混合網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3是混合型zigbee組網(wǎng)。每種網(wǎng)絡(luò)都有各自的優(yōu)點(diǎn)。星形網(wǎng)以一個(gè)功能強(qiáng)大的主器件作為網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)全網(wǎng)的工作，其他的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內(nèi)。這種網(wǎng)絡(luò)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，適用于設(shè)備數(shù)量比較少的場(chǎng)合。對(duì)等網(wǎng)又分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和簇樹形2種，是由主器件連接而成的。這種網(wǎng)絡(luò)能提供更高的可靠性。星形網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)相結(jié)合形成了混合網(wǎng)，各子網(wǎng)內(nèi)部以星形連接，主器件又以對(duì)等方式相連。這種網(wǎng)絡(luò)適用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)要求最復(fù)雜的情況。一般在現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用環(huán)境中，混合型具有更大的實(shí)用性。 在無(wú)線傳感器網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是由軟件層和硬件層共同配合來實(shí)現(xiàn)功能的。在應(yīng)用zigbee芯片建立無(wú)線傳感器網(wǎng)時(shí)，zigbee芯片硬件內(nèi)置物理層和mac層的一部分功能，其他高層由外而的mpu解決，通過對(duì)mpu的寫入，來實(shí)現(xiàn)zigbee的高層協(xié)議。 節(jié)點(diǎn)應(yīng)用部分裝置根據(jù)監(jiān)控的不同位置(比如溫度、聲音、振動(dòng)、壓力、運(yùn)動(dòng)或?yàn)a染物)起不同的作用。通常這些裝置很小、很便宜，可以大量制造和部署，因此它們的資源(能源、存儲(chǔ)、計(jì)算速度和帶寬)嚴(yán)重受限。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具備一個(gè)無(wú)線電收發(fā)器、一個(gè)很小的微控制器和一個(gè)能源(通常為電池)。這些裝置互相幫助，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭慌_(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)。 封 瑜,葛萬(wàn)成
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