ZigBee無線通信技術(shù)及其應用研究

1、ZigBee無線通信技術(shù)及其應用研劉 剛（030120579 機碩121）（機械與動力工程學院 化工過程機械）摘要：介紹了ZigBee協(xié)議的標準、特點,描述了ZigBee的技術(shù)支持,分析了ZigBee的相關(guān)應用領(lǐng)域,討論了應用設(shè)計中的共性問題,結(jié)合應用例子給出了硬件和軟件的設(shè)計過程,并通過現(xiàn)場實驗驗證了無線通信的準確性和可靠性。關(guān)鍵詞：無線通信；協(xié)議；解決方案；應用0 引言網(wǎng)絡和通信技術(shù)的發(fā)展,使人們對無線通信的需求越來越高,短程、低速、廉價的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點。目前一種新的無線通信技術(shù)引起了人們的關(guān)注,這就是所謂的“ZigBee”技術(shù)。ZigBee這個名字來源于蜂群使用的賴以生存的

2、通信方式,蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。有了ZigBee這種低速率通信技術(shù),其所支持的應用將更貼近人們的日常生活,滿足工業(yè)、家居、醫(yī)學等用途的低功耗和低成本需求。本文就IEEE802.15.4標準及其所具備的可靠性和低功耗特點、ZigBee技術(shù)及其軟硬件支持、以及應用開發(fā)等方面的問題進行探討。1 ZigBee技術(shù)及其特征1.1ZigBee技術(shù)的原理ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、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)絡技術(shù),是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)13。適合于承載

3、數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務,可以嵌入各種設(shè)備,同時支持地理定位功能。與ZigBee兼容的設(shè)備有著網(wǎng)狀的拓撲結(jié)構(gòu),這可大大延伸單個節(jié)點的傳輸范圍,其目標市場瞄準工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本的無線通信應用。圖1為ZigBee無線通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)和分工。1.1.1 物理層IEEE802.15.4標準在物理(PHY)層設(shè)計中面向低成本和更高層次的集成需求,采用的工作頻率分為2.4GHz、915MHz和868MHz等3種,各頻段可使用的信道分別有16、10、1個,各自提供250Kbps、40Kbps和20Kbps之傳輸速率,其傳輸范圍介于10100m之間。圖1ZigBee的結(jié)構(gòu)和分工Fig.1Struc

4、tureandthefunctionoftheZigBee為避免被干擾,在各個頻段皆采用直接序列擴頻(DSSS)技術(shù),以化整為零方式將一個信號分為多個信號,再經(jīng)由編碼方式傳送信號以避免干擾,這對大部分較低端的實現(xiàn)來說,直接序列的應用可使模擬電路變得簡單,具有更高的容錯性能。1.1.2媒體存取控制層IEEE802.15.4標準在媒體存取控制(MAC)層方面,主要沿用無線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11系列標準的CSMACA方式,以提高系統(tǒng)兼容性。這種MAC層的設(shè)計,不但使多種拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的應用變得簡單,還可以實現(xiàn)非常有效的功耗管理。當然,IEEE802.15.4標準僅處理MAC層和物理層

5、協(xié)議；而由ZigBee聯(lián)盟所主導的ZigBee標準,定義了網(wǎng)絡層、安全層、應用層和各種應用產(chǎn)品的資料或行規(guī),并對其網(wǎng)絡層協(xié)議和應用編程接口(API)進行了標準化。1.1.3 網(wǎng)絡層網(wǎng)絡功能是ZigBee的重要特點,也是與其他無線局域網(wǎng)標準的不同之處。在網(wǎng)絡層方面,其主要工作在于負責網(wǎng)絡機制的建立與管理,并具有自我組態(tài)與自我修復功能。在網(wǎng)絡層中,ZigBee定義了3種角色：第1個是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,負責網(wǎng)絡的建立,以及網(wǎng)絡位置的分配；第2個是路由器,主要負責找尋、建立以及修復信息包的路由路徑,并負責轉(zhuǎn)送信息包；第3個是末端裝置,只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡,可以收發(fā)信息,但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息,不具備路由功

6、能。通常,網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和路由器由全功能裝置(FFD)實現(xiàn),而末端裝置由簡化功能裝置(RFD)實現(xiàn)。在組網(wǎng)方式上,ZigBee主要采用圖2所示的3種組網(wǎng)方式：其一為主從結(jié)構(gòu)的星型網(wǎng),它需要一個能負責管理和維護網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和不超過65535個從屬裝置；其二為簇狀形網(wǎng),它可以是擴展的單個星型網(wǎng)或互連多個星型網(wǎng)絡；其三為網(wǎng)狀網(wǎng)(Mesh)，網(wǎng)絡中的每一個FFD同時可作為路由器，根據(jù)ADhoc網(wǎng)絡路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑。圖23種網(wǎng)絡拓撲架構(gòu)Fig.2ThreenetworktopologystructureCoordinator;Router;Enddevice1.1.4 應用層對于應用層，

7、主要有3個部分：與網(wǎng)絡層連接的應用支持(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)以及裝置應用行規(guī)。ZigBee的應用層架構(gòu)，最重要的是已涵蓋了服務的觀念。對于ZigBee裝置而言，當加入到一個個人無線局域網(wǎng)(WPAN)后，應用層的ZDO會發(fā)起一系列初始化動作，先通過APS進行裝置搜尋及服務搜尋，然后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關(guān)的裝置或是服務記錄在APS里的綁定表中；之后，所有服務的使用，都要通過這個綁定表來查詢裝置的資料或行規(guī)。而裝置應用行規(guī)則是根據(jù)不同的產(chǎn)品而設(shè)計出不同的描述信息、以及ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。1.1.5 安全層安全層并非單獨獨立的協(xié)議,ZigBee為其提供了一

8、套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了IEEE802.15.4標準的安全元素，用來保證MAC層幀的機密性、一致性和真實性。另外，ZigBee聯(lián)盟也負責ZigBee產(chǎn)品的互通性測試與認證規(guī)格的制定，讓開發(fā)ZigBee產(chǎn)品的廠商有一個公開場合,能夠互相測試互通性。而在認證部分,ZigBee聯(lián)盟共定義了3種層級的認證，第1級認證PHY與MAC,與芯片廠有最直接的關(guān)系；第2級認證ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)；第3級認證ZigBee產(chǎn)品。只有通過第3級認證的產(chǎn)品才允許貼上ZigBee的標志，所以也稱為ZigBee注冊認證。1.2 ZigBee的特點和傳輸數(shù)據(jù)類型根據(jù)ZigBee的技術(shù)本

9、質(zhì),它所具有的特性包括：功耗低、時延短、實現(xiàn)簡單;可靠度高；高度擴充性；裝置、安裝、維護的低成本；協(xié)議簡單，國際通用；自配置。從IEEE802.15.4到ZigBee不難發(fā)現(xiàn)，這些標準的目的是希望以低價切入產(chǎn)業(yè)自動化控制、能源監(jiān)控、機電控制、照明系統(tǒng)管控、家庭安全和無線射頻(RF)遙控等領(lǐng)域。在ZigBee網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分為3類：周期性數(shù)據(jù),如傳感器中傳遞的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率可根據(jù)不同的應用定義；間斷性數(shù)據(jù),如控制電燈開關(guān)時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率是由應用或外部激勵定義的；還有反復性的低反應時間的數(shù)據(jù)，如無線鼠標傳輸?shù)臄?shù)據(jù),數(shù)據(jù)速率根據(jù)分配的時隙定義的。因此，凡是只需傳遞少量信息(如控制或是事件的信

10、息傳遞)，都是ZigBee容易發(fā)揮的戰(zhàn)場。1.3 ZigBee網(wǎng)絡的形成一個ZigBee網(wǎng)絡的形成，必須由FFD率先擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進行掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡；再讓其他的FFD或是RFD加入這個網(wǎng)絡。事實上，人們可根據(jù)裝置在網(wǎng)絡中的角色和功能,預先對其編制好程序。如協(xié)調(diào)器的功能是通過掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個未用的信道來組建一個網(wǎng)絡；路由器的功能是通過掃描搜索，發(fā)現(xiàn)一個激活的信道并將其連接，然后允許其他裝置連接；而末端裝置的功能總是試圖連接到一個已存在的網(wǎng)絡中。2實現(xiàn)ZigBee無線通信的技術(shù)支持為了推動ZigBee技術(shù)的發(fā)展，眾多公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟，并吸引了許

11、多IC設(shè)計、家電、通信裝置、IP服務提供、玩具等廠商相繼加入。ZigBee聯(lián)盟負責制訂網(wǎng)絡層、安全管理、應用接口規(guī)范，其次亦肩負互通測試，目前已正式推出第1.0版規(guī)范。2.1 RF芯片在ZigBee聯(lián)盟成員中，有不少是提供ZigBee解決方案的業(yè)者。在硬件部分，以RF芯片為代表性。通常，ZigBee的芯片架構(gòu)是：由MAC處理封包，而由PHY接收和處理RF信號。至于ZigBee的系統(tǒng)架構(gòu)，由于其傳輸速率低并只需做簡易數(shù)據(jù)處理，故在其主機端只需搭配簡單的8位處理器即可。在ZigBee芯片模塊方面常有兩種形式：一種是內(nèi)含有RF、PHY與MAC的芯片(如CC2420、EM240、MC13192等)，另

12、一種是已整合有處理器內(nèi)核的芯片(如CC2430、EM250等)。2.2 ZigBee協(xié)議套件ZigBee協(xié)議套件的基本需求包括：一個8位處理器；完整協(xié)議套件軟件需要32K字節(jié)的ROM，而最小協(xié)議套件軟件僅需要4K字節(jié)的ROM。作為網(wǎng)絡主節(jié)點還需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點的裝置信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、裝置關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。目前,全球已有多家公司提供有ZigBee協(xié)議棧，其中以FigureWireless公司(FW)所設(shè)計的Z-Stack最富盛名。目前,ZigBee完全解決方案的提供者代表有：Chipcon公司的CC2420芯片+FW公司的Z-Stack，以及Freescale

13、公司的MC13193芯片+FW公司的Z-Stack，他們均已通過ZigBee聯(lián)盟的第2級認證，被稱為認證的黃金平臺。2.3 開發(fā)平臺ZigBee提供了一個標準化的網(wǎng)絡和應用框架，開發(fā)人員可在此基礎(chǔ)上建立應用而無須擔憂連網(wǎng)和RF問題的煩擾。然而,單靠其自身,ZigBee標準化框架不能保證產(chǎn)品的順利開發(fā)。為了創(chuàng)建兼容ZigBee的應用，不同供應商提供了各種各樣的產(chǎn)品，包括RF收發(fā)器、微控制器、閃存、供應商專有的協(xié)議棧和應用開發(fā)工具，如Freescale公司提供的MC13193EVK、Chipcon公司提供的CC2420DBK和CC2430ZDKPro等，提供幾乎全部開放的軟件協(xié)議棧和硬件設(shè)計參考指

14、南，以方便用戶開發(fā)。3適應的應用領(lǐng)域和應用研究3.1 適應的應用領(lǐng)域不管工業(yè)現(xiàn)場還是民用，無線代替有線已逐漸成為一種趨勢,但對它們的可靠性和低功耗要求通常是比較高的。如在工業(yè)領(lǐng)域,ZigBee技術(shù)有助于改進公共設(shè)施和能源管理、物流和庫存追蹤、安全性和訪問控制，它也能夠跟蹤其他系統(tǒng)以實現(xiàn)預防性維護和性能監(jiān)控;在家庭和樓宇自動化領(lǐng)域，易于進入、簡單明了和廉價的安裝成本已成為驅(qū)動居家和建筑商開發(fā)和應用無線技術(shù)的動因，未來的家庭將會有50150個支持ZigBee的模塊被安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報警、安保系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)、廚房器械和其他家電

15、產(chǎn)品中，通過ZigBee收集各種信息，傳送到中央控制裝置，或通過遙控達到遠程控制之目的，提供家居生活更朝向自動化、網(wǎng)絡化與智能化，以有效增加人們居住環(huán)境之方便性與舒適度4。3.1.1 物流和倉儲應用無線數(shù)傳系統(tǒng)主要是服務于大型流程企業(yè)的物流和倉儲。開發(fā)一種適合這類應用的無線傳輸技術(shù)是實現(xiàn)低成本、高可靠性的物流信息傳輸?shù)囊粋€重要環(huán)節(jié)。由ZigBee的網(wǎng)狀(Mesh)拓撲結(jié)構(gòu)可知,它的高可靠性、多路徑的路由方式非常合理地解決了一般無線協(xié)議的距離短和易受干擾的問題。如現(xiàn)場行車的調(diào)度，由于行車現(xiàn)場的移動距離大于一般的無線通信協(xié)議點對點的范圍，而且現(xiàn)場的鋼結(jié)構(gòu)又比較多，如何確保移動中的行車保持與控制臺的

16、聯(lián)系就顯得特別重要。針對這種應用，可將ZigBee節(jié)點按圖3所示的形式安裝。由于整個行車的活動距離往往超過ZigBee的通信協(xié)議所能達到的距離，采用ZigBee的網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡拓撲，通過數(shù)據(jù)接力及動態(tài)路由的方式來滿足整個系統(tǒng)的全范圍通信有效及高可靠性的要求。如行車在初始位置時，可能出現(xiàn)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3行車在初始位置時可能的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)Fig.3PossiblynetworktopologystructureofthetravelingcraneontheoriginallypositionCoordinator;Router;Movablenode 由于行車的移動，原

17、先節(jié)點之間的通信由于距離等因素的影響無法保證，即原先的ABC網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的路徑已經(jīng)破壞，這要求源節(jié)點(路徑發(fā)起節(jié)點)發(fā)出探測指令來尋找一條新的路徑。由于行車的不斷移動,整個ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和信息傳輸路徑需要不斷變化。ZigBee網(wǎng)絡總是選擇一條最佳路徑來保證通信質(zhì)量。這樣，只要多放置幾個節(jié)點，就能夠?qū)崿F(xiàn)整個物流和倉儲系統(tǒng)無死角。3.1.2 家用抄表應用ZigBee的低功耗、低成本、高可靠、低傳輸速率等特點和無線傳輸方案，尤其適應無線智能“三表”的設(shè)計和無線“三表”的抄表系統(tǒng)應用。根據(jù)安裝方式和使用范圍的不同，ZigBee“三表”抄表系統(tǒng)可以選擇圖4示意的一種拓撲結(jié)構(gòu)。由于這類應用都是通

18、過電池供電，所以功耗就成了重要問題。ZigBee提供的超幀和信標方式正好能有效地解決省電問題，這種方式相比傳統(tǒng)的通過終端喚醒的方式響應快、功耗低。圖4ZigBee抄表系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.4TopologystructureoftheZigBeeautorecordsystemMonitorstation;Collector;ZigBeemeter以水表為例,ZigBee無線抄表系統(tǒng)，可通過ZigBee無線接口方便地實現(xiàn)對分布在各個用戶家中水表的用水信息進行集中抄表,并通過一個監(jiān)控基站向計費站傳送信息。3.2 ZigBee無線水表的設(shè)計下面結(jié)合ZigBee的家庭無線抄表應用，就水表的硬件設(shè)計和

19、通信軟件開發(fā)問題作一簡單介紹。3.2.1 硬件設(shè)計要實現(xiàn)水表的ZigBee無線網(wǎng)絡,需要對水表設(shè)置ZigBee通信器件CC2420，其基本組成參見圖5。ZigBee模塊通過SPI總線與MCU接口，而水表的計數(shù)脈沖信號直接接入MCU。圖5無線水表的組成框圖Fig.5Blockdiagramofthewirelesswatermeter3.2.2 軟件部分軟件部分需要解決的問題包括：Z-Stack協(xié)議棧、ZigBee通信部分、水表信號采集部分、按鍵顯示部分、串口通信部分等。(1)水表信號采集：由單片機對外部來自水表的脈沖信號進行計數(shù)，然后進行相應的處理即可。(2)Z-Stack協(xié)議棧：Chipco

20、n公司提供的有關(guān)ZigBee的協(xié)議棧開發(fā)平臺，有關(guān)ZigBee的開發(fā)需要在OSAL操作系統(tǒng)上進行，它基于任務觸發(fā)機制。凡需要執(zhí)行一項任務，首先要編制任務服務程序，并設(shè)置好對應的觸發(fā)事件。(3)ZigBee通信：基于ZigBee提供的兩種通信方式，可根據(jù)需要采用綁定方式實現(xiàn)通信，也可以使用網(wǎng)絡地址直接通信。3.2.3 通信軟件開發(fā)一般來說，協(xié)議棧越深，開發(fā)工作越容易。一個提供從物理層、網(wǎng)絡層、傳輸層直到ZigBee類的協(xié)議棧，將使開發(fā)人員不必理會網(wǎng)絡的內(nèi)在工作機理，從而允許他們集中精力于應用開發(fā)上。ZigBee的通信或數(shù)據(jù)傳輸，有關(guān)鍵值偶(KeyValuePair,KVP)和消息(MSG)兩種模

21、式。前者是一種特殊的數(shù)據(jù)傳輸機制，由ZigBee規(guī)范定義，它允許應用程序傳輸一一對應的數(shù)據(jù)；后者類似于平常的一些數(shù)據(jù)幀。在Z-Stack中，可通過調(diào)用afFillAndSendMessage()函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。下面給出的程序是采用KVP模式,實現(xiàn)兩個節(jié)點之間數(shù)據(jù)無線通信5。首先，分別對發(fā)送方和接收方建立一個簇(Cluster)，其類型為KVP，包含有兩個屬性(Attribute)：一個輸出、一個輸入;還要為它們定義相應的類型和名字；然后設(shè)計好雙方的行規(guī)(Profile)。從邏輯上建立了連接，接著就可以調(diào)用afFillAndSendMessage()函數(shù)來傳輸數(shù)據(jù)。 如果選用間接地址方式，那么數(shù)

22、據(jù)將發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器在接收到這一消息后，通過查詢綁定表來確定轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點在OSAL層。if(events&FLU-SEND-MSG-EVT)/Send message for a KVP cluster typeMonitor-SendKVP-din-datain(fluendpoint);/Setup to send message againosal-start-timer(FLU-SEND-MSG-EVT,FLU-SEND-MSG-TIMEOUT);Monitor-SendKVP-din-datain(fluendpoint)If(afFillAndSendMessage(&Flu-DstAddr,ep,MONITOR-DIN-CLUSTER-ID1,FRAMETYPE-KVP,&