物聯(lián)網(wǎng)簡介及基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

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摘要

物聯(lián)網(wǎng)，是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，是一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，給IT和通信帶來了廣闊的新市場。積極發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，盡快擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，盡快使其投入到生產(chǎn)、生活中去，將具有重要意義。

ZigBee無線通信技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、低時(shí)延等特性，具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力與超大的網(wǎng)絡(luò)容量，可以廣泛應(yīng)用在消費(fèi)電子品、家居與樓宇自動化、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。由于其獨(dú)有的特性，ZigBee無線技術(shù)也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首選技術(shù)，具有廣闊的發(fā)展前景。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用開放系統(tǒng)接口(051)分層結(jié)構(gòu)，其中物理層和媒體接入層由IEEE802.15.4工作小組制定，而網(wǎng)絡(luò)層，安全層和應(yīng)用框架層由ZigBee聯(lián)盟制定。

本文首先從概念、技術(shù)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域介紹了物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識，然后著重介紹了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中包括無線傳感網(wǎng)簡介、ZigBee技術(shù)概述和基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)。

基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)營管理系統(tǒng)和各種應(yīng)用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議。

無線傳傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介

電系統(tǒng)（MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks,WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)感知對象的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。它的英文是WirelessSensorNetwork,簡稱WSN。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)將探測數(shù)據(jù)，通過集聚節(jié)點(diǎn)經(jīng)其它網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給了用戶。在這個(gè)定義中，傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)娜N功能，而這正對應(yīng)著現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)，即傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetworks，WSN)是當(dāng)前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交織、知識高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會這三元世界的連通。

所謂無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的，具備感知、無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能包括如下四個(gè)基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)以及節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序等組成)、通信單元(由無線通信模塊組成)、以及供電單元(電池、太陽能或其他方式)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的狀況通過自組織方式構(gòu)成動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間一般采用多跳的無線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可

以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶可以遠(yuǎn)程訪問。

無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)依照傳輸范圍來劃分，可以分為無線廣域網(wǎng)（WWAN），無線城域網(wǎng)（WMAN），無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個(gè)人域網(wǎng)（WPAN）。其中的無線個(gè)人域網(wǎng)就是所謂的短距離無線網(wǎng)絡(luò)，各種短距離無線傳輸技術(shù)層出不窮：藍(lán)牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、無線USB，無載波通信技術(shù)（UWB）等,其中藍(lán)牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的三種標(biāo)準(zhǔn)。Bluetooth雖然成本低，成熟度高，具有多種規(guī)范，但是其傳輸距離有限，僅為10米，只能組成最多8個(gè)節(jié)點(diǎn)的星狀網(wǎng)，電池也僅能維持?jǐn)?shù)周。UWB雖然可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百M(fèi)bps的傳輸速率，但是其覆蓋距離僅為10米，這決定了它主要被用作消費(fèi)產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)解決方案，目前UWB沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。Wi-Fi雖然傳輸速度可以達(dá)到11Mbps，傳輸距離達(dá)到100米，但是其價(jià)格相對教昂貴，且功耗大，組網(wǎng)能力差。ZigBee技術(shù)專注于低成本，低功耗和低速率的無線通信市場，因此十分適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來。

ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低繁雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)訪問層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4組織的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，而且在未來其應(yīng)用更將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)1.物理層(PHY)規(guī)范

物理層定義了物理無線信道和與MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。

物理層功能相對簡單，主要是在硬件驅(qū)動程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和物理信道的管理。數(shù)據(jù)傳輸包括數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；管理服務(wù)包括信道能量監(jiān)測(energydetect，ED)，鏈接質(zhì)量指示(Linkqualityindication，LQI)和空閑信道評估(clearchannelassessment,CCA)等。2.媒體介質(zhì)訪問層(MAC)規(guī)范

MAC層提供兩種服務(wù)：MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事MAC層的管理活動，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。

MAC層的主要功能包括如下7個(gè)方面：1.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀(beacon)；2.設(shè)備與信標(biāo)同步；

3.支持RAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)(association)和取消關(guān)聯(lián)(disassociation)操作4.為設(shè)備的安全性提供支持；

5.信道接入方式采用免沖突載波檢測多路訪問(CSMA-CA)機(jī)制；6.處理和維護(hù)保護(hù)時(shí)隙(GTS)機(jī)制；

7.在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的通信鏈路。ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特別的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體則提供所有其他的服務(wù)。所有的服務(wù)實(shí)體都通過服務(wù)接人點(diǎn)SAP為上層提供接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)所需的功能。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的分層架構(gòu)是在OSI七層模型的基礎(chǔ)上根據(jù)市場和應(yīng)用的實(shí)際需要定義的。其中IEEE802.15.4—2023標(biāo)準(zhǔn)定義了底層協(xié)議：物理層(physicallayer，PHY)和媒體訪問控制層(mediumaccesscontrolsub—layer，MAC)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer,NWK)，應(yīng)用層(applicationlayer，APL)架構(gòu)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(applicationsupportsub—layer，APS)和ZigBee設(shè)備對象(ZigBeedeviceobject，ZDO)。應(yīng)用框架中則參與了用戶自定義的應(yīng)用對象。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層采用基于AdHoc的路由協(xié)議，除了具有通用的網(wǎng)絡(luò)層功能外，還應(yīng)當(dāng)與底層的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣功耗小，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，以最大限度便利消費(fèi)者使用，降低網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。應(yīng)用支持子層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置、業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的集聚等功能。1.網(wǎng)絡(luò)層(NWK)規(guī)范

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對一跳(one—hop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新參與的設(shè)備分派短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供適合的服務(wù)接口。

2.應(yīng)用層(APL)規(guī)范

在ZigBee協(xié)議中應(yīng)用層是由應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備配置層和用戶應(yīng)用程序來組成的。應(yīng)用層提供高級協(xié)議棧管理功能，用戶應(yīng)用程序由各制造商自己來規(guī)定，它使用應(yīng)用層來管理協(xié)議棧。3.應(yīng)用支持子層(APS)

APS子層通過ZigBee設(shè)備對象(ZD0)和制造商定義的應(yīng)用對象所用到的一系列服務(wù)來為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口。APS子層所提供的服務(wù)由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(APSDE)和管理服務(wù)實(shí)體(APSME)來實(shí)現(xiàn)。APSDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)(APSDE—SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。APSME通過管理服務(wù)實(shí)體訪問點(diǎn)(APSME—SAP)來提供管理服務(wù)，它還負(fù)責(zé)對APS信息數(shù)據(jù)庫(AIB)的維護(hù)工作。

基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種功能類型的設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩種工作模式。

●功能類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD（FullFunctionDevice）和精簡功能設(shè)備RFD（ReducedFunctionDevice）兩種功能類型的設(shè)備。全功能器件擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和普通節(jié)點(diǎn)（Device）而存在。而精簡功能器件旨在實(shí)現(xiàn)最簡單的協(xié)議功能而設(shè)計(jì)，只能作為普通節(jié)點(diǎn)存在于網(wǎng)絡(luò)中。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能器件通信，而精簡功能器件只能與全功能器件通信，精簡功能器件之間不能直接通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)要求至少有一個(gè)全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

●節(jié)