zigbee无线通信协议实现技术

2007,43(6) 1 引言 近几年来,随着无线移动通信技术地迅速发展,新的技术 不断出现。从蜂窝移动通信到宽带接入,再到无线局域网,使世 界在这张无线的大网中变得越来越小。红外、HomeRF、蓝牙和 802.1l等技术的出现又推动了无线个人域网(WPAN)的向前发 展。 目前的无线通信技术主要致力于如何提高通信速率,而相 对于简单无线连接的应用领域,如工业现场各种传感器的参数 收集等,由于数据传输量小,并不需要很高的传输速率。如果使 用现有的、过于复杂的无线通信技术将消耗很多能量,并且占 用过多的计算和通信资源,同时也增加了设备成本。因此,迫切 需要一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。 为了满足这种要求,在 2002年 8月,由英国 Invensys公司、日 本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公 司成立了 ZigBee联盟,并于 2004年 12月,正式公布了无线通 信技术ZigBee的1.0 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低 成本的双向无线通信技术[1,5]。工作在 2.4GHz的 ISM频段上, 传输速率为 20kb/s-250kb/s,传输距离为 10m-75m。主要适 合于工业控制、传感和远程控制领域。它依据 IEEE802.15.4 标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传 感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从 一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。 ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了 它适合于承载数据流量较小的业务。本文针对 ZigBee技术的 实现细节进行了剖析和研究,给出了网络层协议实现技术的细 节,以便支持其实现软件的开发。 2 ZigBee的协议体系结构 为了遵循国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模 式,ZigBee联盟采用了IEEE802.15.4标准定义的单一的 MAC 层和多样的物理层,它制定了 MAC层以上的协议,其协议体 系结构[2,4]如图1所示。 2.1 物理层 IEEE802.15.4标准定义了两个物理层,分别是 868MHz/ 915MHz物理层和 2.4GHz物理层,两个物理层都使用相同 的数据帧格式[3],如图 2所示。采用直序扩频技术 DSSS(Di- rectSequenceSpreadSpectrum,DSSS),降低了数字集成电路 的成本。不同之处在于它们的工作频率、调制技术、扩频码片长 度和传输速率。868MHz是欧洲的ISM频段,它只有一个信道, 传输速率为 20kbps;915MHz是美国的 ISM频段,它有 10个 信道,传输速率为 40kbps,它们都采用 BPSK调制方式。这两 ZigBee无线通信协议实现技术的研究 任秀丽 1,2,于海斌 2 RENXiu-li1,2,YUHai-bin2 1.吉林师范大学 计算机学院,吉林 四平 136000 2.中国科学院 沈阳自动化研究所,沈阳 110016 1.SchoolofComputer,JilinNormalUniversity,Siping,Jilin136000,China 2.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang110016,China E-mail:rxl@sia.cn RENXiu-li,YUHai-bin.StudyofrealizingtechnologyonZigBeewirelesscommunicationprotocol.ComputerEngineering andApplications,2007,43(6):143-145. Abstract:Withtherapiddevelopmentofwirelesscommunicationtechnologies,manynewwirelesscommunicationtechnologies constantlycomeforth.TherisingZigBeehasbeenagoodappliedfield.Inthispaper,thereisacompletelyanalysisandstudyfor ZigBeewirelesscommunicationprotocol,andgivethedetailedrealizingtechnologyofnetworklayersoastosupportthe developmentofitssoftware. Keywords:wirelesscommunication;ZigBee;protocol;routing;algorithm 摘 要:随着无线通信技术地迅速发展,新的技术不断出现。当前新兴的ZigBee技术具有很好的应用前景。针对ZigBee无线通信 协议的实现进行了全面地剖析和研究,给出了网络层协议实现技术的细节,以便支持其实现软件地开发。 关键词:无线通信;ZigBee;协议;路由;算法 文章编号:1002-8331(2007)06-0143-03 文献标识码:A 中图分类号:TP393 基金项目:国家自然科学基金(theNationalNaturalScienceFoundationofChinaunderGrantNo.60374072);国家高技术研究发展计划(863)(the NationalHigh-TechResearchandDevelopmentPlanofChinaunderGrantNo.2004AA412020)。 作者简介:任秀丽,副教授,博士后,主要研究方向为无线网络与通信;于海斌,研究员,博士生导师,主要研究方向为工业通信、人工智能。 ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用 143 2007,43(6) ComputerEngineeringandApplications计算机工程与应用 个频段的引入避免了与 2.4GHz附近各种无线通信设备的相 互干扰,且这两个频段上的无线信号传播损耗较小,可以降低 对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,因而可以 用较少的设备覆盖给定的区域。2.4GHz是全球统一的无需申 请的ISM频段,对于 ZigBee设备的推广和降低生产成本有极 大的好处。2.4GHz频段有16个信道,能够提供250kbps的传 输速率,它采用O-QPSK调制方式。 2.2 数据链路层 IEEE802系列标准把数据链路层分为媒体接入控制 层 MAC(MediaAccessControl,MAC)和逻辑链路控制层 LLC (LogicalLinkControl,LLC)。IEEE802.15.4的MAC子层支持 多种 LLC标准,如 IEEE802.2类型的 LLC标准,同时也允许 其它 LLC标准直接使用 IEEE802.15.4的 MAC层的服务,而 MAC子层协议则依赖于不同的物理层。ZigBee的MAC子层主 要从低成本、低复杂度和低功耗进行设计。功能包括设备间无 线数据链路的建立与维护、确认模式的帧传送与接收、信道接 入控制、帧校验、预留时隙管理、广播信息管理。LLC子层主要 完成传输可靠性和控制、数据包的分段与重组、数据包的顺序 传输等功能。数据链路层有4种帧类型:数据帧、信标帧、命令 帧和确认帧,其一般结构如图3所示。 为了提高数据传输的可靠性,ZigBee采用了载波侦听多 址/冲突避免(CSMA/CA)的信道访问方式和完全握手协议。该 标准支持两种类型的地址,一类是16位的局部地址,处理起来 更加方便,节约功耗;另一类是 64位的扩展地址,可以为全球 任意一个设备分配的唯一的地址。 2.3 网络层 ZigBee的网络层主要考虑采用基于 Adhoc技术的网络 协议,使其在具有通用的网络层功能基础上能尽量的减小功 耗、减少成本,并具有高度动态的拓扑结构和自组织、自维护的 功能。网络层有二种帧类型[2]:数据帧和命令帧,其一般结构如 图4所示。 为了降低系统成本,ZigBee网络中定义了两种类型的设 备:一种是全功能设备FFD(FullFunctionDevice,FFD)称为主 设备,它承担了网络协调者的功能,可与网络中任何类型的设 备通信,它亦可作为网络中的路由设备;另一种是简化功能设 备 RFD(ReducedFunctionDevice,RFD)称为从设备,它不能 作为网络协调者,只能与主设备通信。ZigBee主要采用了 3种 组网方式[3]:星型网(Star)、网状型网(Mesh)和簇型网(Cluster tree),如图5所示。 2.3.1 地址分配 在 ZigBee网络中,只有一个节点作为网络协调者,其它节 点作为路由节点或者是叶子节点。全功能设备可作为网络协调 者和路由节点,而简化功能设备只能作为叶子节点。网络结构 通常采用簇型网,节点地址是由其父节点采用分布式地址分配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行分配。网络协调者确定整个网络节点的数目,每个节 点都拥有一个网络深度,用以指示在其父子链路上数据传输到 协调者的最小跳数。协调者的深度为 0,而它的孩子节点的深 度为1。显然,多跳网络中的深度是大于1的,网络的深度是由 网络协调者来决定的。 在 ZigBee网络中,假设一个父节点有最大孩子节点数为 Cm,网络的最大深度为 Lm,一个父节点的最大路由数 Rm,可以 计算网络中每个节点的功能 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 Cskip(d),其函数式为: Cskip(d)= 1+Cm*(Lm-d-1) Rm=1 1+Cm-Rm-Cm*Rm Lm-d-1 1-Rm 其 ! # ## " # ## $ 它 式中的d是节点到协调者的深度。如果 Cskip(d)的值为 0,则 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明此节点为叶子节点;而 Cskip(d)的值大于 0,则表明该节点可 作为一个父节点,这个父节点可以接收子节点并根据它们是否 具有路由能力来分配地址。具体过程是:首先一个子节点的地 址被分配,子节点地址比父节点的地址多 1;然后其余节点根 144 2007,43(6) (上接118页) 参考文献: [1]PopescuC.Groupsignatureschemesbasedonthedifficultyof computationofapproximatee-throots[C]//PROMS2000,Poland, 2000:325-331. 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[7]刘锋,张建中.一种透明的可分电子现金系统[J].电子技术应用, 2005,31(12):8-10. 据如下式子求出。 An=Aparent+Cskip(d)*Rm+n 式中1≤n≤(Cm-Rm),Aparent代表父节点的地址。现将图 5中的 簇型网各节点的地址通过上述公式计算,结果如图6所示。 2.3.2 路由算法 ZigBee网络中,协调者和路由节点具有路由功能。ZigBee 的路由算法在路由发现和路由维护期间利用路径代价作为路 由的标准。路径代价就是求整个路径在每一个链路上的代价 和。具体通过以下式子求出: C{P}= L-1 i=1 "C{[Di,Di+1]} 式中P表示一条路径;L表示一条链路;[Di,Di+1]表示一条链路 上的两个设备;C{[Di,Di+1]}为一条链路的代价;C{P}就是在路径 P上的总代价。若设C{[Di,Di+1]}等于C{l},则在链路l上的代价 为: C{l}= 7 min7,round 1 p 4 l # $% & ’ ) )) ( ) )) * 式中pl是数据包在链路l上的投递率,它取决于链路质量。从 上式可以看到,对于每一个设备,C{l}有两个值的选择,具体选 取哪一个值由网络层信息库的属性来决定。 ZigBee网络层采用一种基本的路由算法,该算法的主要思 想是先对接收的数据帧进行判断,判断数据帧的来源。然后,分 解出数据帧中的目的地址,根据目的地址,采用相应的机制传 送数据帧,具体实现过程如图7所示。 2.4 应用会聚层 应用会聚层包括应用对象终端设备和应用接口层,且最多 只能包含31个应用对象。应用接口层将主要负责把不同的应 用映射到 ZigBee网络层上,其中包括:安全与鉴权、多个业务 数据流的会聚、设备发现及业务发现。 3 结论 ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成 本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,是无线个人区域网 络不可缺少的组成部分。同时,它也已被业界认同为传感网络 的基本通信技术。随着ZigBee技术的不断完善和发展,其大量 丰富而便捷的应用,保证了ZigBee技术具有独特的生存空间。 (收稿日期:2006年8月) 参考文献: [1]KinneyP.ZigBeetechnology:wirelesscontrolthatsimplyworks [EB/OL].(2004-08-30).http://www.hometoys.com/htinews/octO3/a rticIes/kinney/zigbee.Htm. 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