淺論基于Zigbee技術(shù)的家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)應用研究
論文摘要:針對基于Zigbee技術(shù)的智能家居無線系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進行研究，分析了Zigbee體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。
論文關(guān)鍵詞:Zigbee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
1、引言
智能家居系統(tǒng)可以理解為利用電腦、網(wǎng)絡(luò)和綜合布線技術(shù)，通過家庭信息平臺將與家居生活有關(guān)的各種通訊設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置經(jīng)由家庭總線技術(shù)連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上，從而形成一個有機的整體(數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng))，進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅的和諧與協(xié)調(diào)。而無線擇。智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求很低，同時要求低功耗、低，于是在這樣的背景下一種基于IEEE802.15.4標準的短距離無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的Zigbee技術(shù)出現(xiàn)了，它真正實現(xiàn)了寬帶網(wǎng)絡(luò)家庭的延伸拓展，使家庭組網(wǎng)更加便捷。
2、Zigbee技術(shù)介紹
Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線技術(shù)。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌人各種設(shè)備。Zigbee技術(shù)有如下幾點優(yōu)勢:
(1)成本低，Zigbee技術(shù)是免協(xié)議專利費的，而且每塊芯片的價格大約為2美元左右;(2)低功耗，在低耗電待機模式下，兩節(jié)五號干電池可支持1個節(jié)點工作半年至兩年時間甚至更長;)
(3)低速率，Zigbee工作在20一250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbps(2.4GHz),40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求;
(4)近距離，其傳輸范圍一般介于10一100m之間，在增加射頻(RF)發(fā)射功率后，亦可增加到1一3km;
(5)短時延，Zigbee的.響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)人工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進人網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能;
(6)大容量，Zigbee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點，同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng);(7)安全性能好，Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性.
基于上述特點可看出Zigbee主要應用于短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種設(shè)備之間，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)(如傳感器數(shù)據(jù))、間歇性數(shù)據(jù)(如照明控制)和重復性低反應時間數(shù)據(jù)等。因此Zigbee技術(shù)十分適合應用于智能家居系統(tǒng)之中。
3、Zigbee體系結(jié)構(gòu)
Zigbee技術(shù)是建立在工EEE802.15.4標準之上的，IEEE802.15.4標準滿足了ISO(國際標準化組織)OSI(開放系統(tǒng)互連)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的層，IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS(業(yè)務相關(guān)的會聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類型1的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用工EEE802.15.4的MAC層服務。IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868 / 915MHz物理層2個標準，它們都基于DSSS(直接序列擴頻)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別主要存在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率上。Zigbe。協(xié)議棧模型由應用層、網(wǎng)絡(luò)層，介質(zhì)接人控制子層和物理層組成，如圖一所示。
4、Zigbee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
Zigbee采用的是自組網(wǎng)通信方式，那么何為自組網(wǎng)通信方式呢?舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進行刷新，這就是自組織網(wǎng)。該架構(gòu)被稱為無基礎(chǔ)構(gòu)架的無線局域網(wǎng)(Ad Hoe Wireless LAN)，這種架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并可隨時建起無線通信鏈路。例如，協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當一個新添加的RFD(簡功能設(shè)備)被網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)現(xiàn)時，F(xiàn)FD(全功能設(shè)備)會把RFD的信息傳送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進行編址，并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。
若新添加到網(wǎng)絡(luò)的是FFD，則可直接把自身信息上報協(xié)調(diào)器，并對周圍的RFD設(shè)備進行輪詢，記錄它們的地址信息，通知協(xié)調(diào)器更新路由，此時新加人的FFD起到了一個橋梁的作用，RFD通過FFD和協(xié)調(diào)器進行間接通訊。這種分層結(jié)構(gòu)，便于管理，增加了網(wǎng)絡(luò)的透明度，有利于發(fā)現(xiàn)并自動添加新人網(wǎng)設(shè)備。在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，所有設(shè)備均有一個64bit的工EEE地址，可以分配一個166i七的本地地址減小數(shù)據(jù)包的大小。地址模式有兩種:星型拓撲:網(wǎng)絡(luò)號十設(shè)備標識;點對點:直接使用源/目的地址。協(xié)調(diào)器將參與地址的分配和記錄工作，在建立和啟動網(wǎng)絡(luò)過程中，設(shè)置惟一的網(wǎng)絡(luò)標識符以及每個節(jié)點都包含一個唯一的6468IEEE MAC地址。這樣做是基于保護個人隱私考慮的，保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。為了避免Zigbee的接人競爭，Zigbee通過MAC層提供保證的時隙，但只作為一種可選的“超幀”(Super Frame)的組成部分提供，但是，如果Zigbee節(jié)點試圖避免傳送的信號與其它節(jié)點或其它無線電源的信號相重疊，則Zigbee節(jié)點會消耗額外的能量，它們必須在發(fā)送信號之前偵聽空中是否還有其它信號在傳送。
Zigbee網(wǎng)絡(luò)常見的有兩種拓撲結(jié)構(gòu)，即星型拓撲和網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲，其中網(wǎng)狀網(wǎng)通信應用的較為普遍也十分實用，網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信。在應用現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛(相當于我們的控制數(shù)據(jù))仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對現(xiàn)場控制而言非常重要。而在Zigbee技術(shù)中采用了動態(tài)路由的方式，所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
5、結(jié)束語
Zigbee技術(shù)與智能家居系統(tǒng)的的結(jié)合有著廣泛的應用前景，本文主要探討了基于該技術(shù)的家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應用。這種方式在現(xiàn)實生活中具有很強的應用性，相信在不遠的將來，會有越來越多由Zigbee技術(shù)延伸而出的設(shè)備投人應用，并將極大地改善我們的生活方式。
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