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淺論基于Zigbee技術的家庭無線傳感網絡應用研究
論文摘要:針對基于Zigbee技術的智能家居無線系統的相關技術進行研究，分析了Zigbee體系結構和網絡拓撲結構。
論文關鍵詞:Zigbee 無線傳感器網絡
1、引言
智能家居系統可以理解為利用電腦、網絡和綜合布線技術，通過家庭信息平臺將與家居生活有關的各種通訊設備、家用電器和家庭保安裝置經由家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統上，從而形成一個有機的整體(數字家庭網絡系統)，進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅的和諧與協調。而無線擇。智能家居系統的數據吞吐量要求很低，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絡協議的Zigbee技術出現了，它真正實現了寬帶網絡家庭的延伸拓展，使家庭組網更加便捷。
2、Zigbee技術介紹
Zigbee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。這個協議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線技術。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌人各種設備。Zigbee技術有如下幾點優(yōu)勢:
(1)成本低，Zigbee技術是免協議專利費的，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)的原始數據吞吐率滿足低速率傳輸數據的應用需求;
(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，一般從睡眠轉人工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進人網絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能;
(6)大容量，Zigbee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，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)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網;(7)安全性能好，Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單(ACL)防止非法獲取數據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并且數據傳輸速率不高的各種設備之間，其典型的傳輸數據類型有周期性數據(如傳感器數據)、間歇性數據(如照明控制)和重復性低反應時間數據等。因此Zigbee技術十分適合應用于智能家居系統之中。
3、Zigbee體系結構
Zigbee技術是建立在工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)務相關的會聚子層)協議承載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據包格式，區(qū)別主要存在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率上。Zigbe。協議棧模型由應用層、網絡層，介質接人控制子層和物理層組成，如圖一所示。
4、Zigbee網絡的構建
Zigbee采用的是自組網通信方式，那么何為自組網通信方式呢?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網絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的Zigbee網絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯絡還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯絡，對原有網絡進行刷新，這就是自組織網。該架構被稱為無基礎構架的無線局域網(Ad Hoe Wireless LAN)，這種架構對網絡內部的設備數量不加限制，并可隨時建起無線通信鏈路。例如，協調器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，當一個新添加的RFD(簡功能設備)被網絡自動發(fā)現時，FFD(全功能設備)會把RFD的信息傳送給協調器，由協調器進行編址，并計算其路由信息，更新數據轉發(fā)表和設備關聯表等。
若新添加到網絡的是FFD，則可直接把自身信息上報協調器，并對周圍的RFD設備進行輪詢，記錄它們的地址信息，通知協調器更新路由，此時新加人的FFD起到了一個橋梁的作用，RFD通過FFD和協調器進行間接通訊。這種分層結構，便于管理，增加了網絡的透明度，有利于發(fā)現并自動添加新人網設備。在Zigbee網絡中，所有設備均有一個64bit的工EEE地址，可以分配一個166i七的本地地址減小數據包的大小。地址模式有兩種:星型拓撲:網絡號十設備標識;點對點:直接使用源/目的地址。協調器將參與地址的分配和記錄工作，在建立和啟動網絡過程中，設置惟一的網絡標識符以及每個節(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，保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡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網絡常見的有兩種拓撲結構，即星型拓撲和網狀網拓撲，其中網狀網通信應用的較為普遍也十分實用，網狀網通信實際上就是多通道通信。在應用現場，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據)仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對現場控制而言非常重要。而在Zigbee技術中采用了動態(tài)路由的方式，所謂動態(tài)路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的，而是傳輸數據前，通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網絡管理軟件中，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，以此類推直到數據送達目的地為止。在實際工業(yè)現場，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)路由結合網狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題從而保證數據的可靠傳輸。
5、結束語
Zigbee技術與智能家居系統的的結合有著廣泛的應用前景，本文主要探討了基于該技術的家庭無線傳感器網絡構建與應用。這種方式在現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技術延伸而出的設備投人應用，并將極大地改善我們的生活方式。
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