谈无线通信Zigbee技术

一、ZigBee技术的发展背景

ZigBee技术的命名源于人们对蜜蜂采蜜过程的研究,蜜蜂具体进行采蜜时,跳着八字舞,作为传递食物源的方向、距离和位置等信息的方法。因此,人们用ZigBee技术来代表具有能量消耗小、体积小、传输速率低和成本低的无线通信技术,也就是“紫蜂”技术。

ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成立于2001年8月,2002年,荷兰飞利浦半导体公司、美国摩托罗拉公司、英国Invensys公司以及日本三菱电气公司四大公司加盟ZigBee联盟,共同合作研发名为“Zigbee”的无线通信标准,被誉为ZigBee技术的里程碑。迄今为止,ZigBee联盟更加庞大,囊括了国际上着名的半导体生产商、技术提供者、技术集成商和许多行业的200多家企业,国内的华为、海尔、中兴等着名企业就在其中。网络层以上协议由ZigBee联盟负责制定。标准制订工作与新世纪初期基本完成。与蓝牙、高速率个人区域网相比,ZigBee协议更加简单实用。

二、ZigBee技术的优势及其局限性

ZigBee是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案,是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。ZigBee以IEEE802.15.4为基础。IEEE802.15.4被称作IEEE802.15.4技术标准,是IEEE无线个人区域网PAN(Personal Area Network)工作组的一项标准。但IEEE只能够处理物理层协议和低级MAC层,所以,ZigBee联盟继续开发了IEEE,标准化了它的网络层协议和API。重新创造了一个安全、灵活的网络层。不仅如此,安全层也相应产生,这能够保证便携设备不会泄漏其标识,提高了信息的安全性,值得一提的是,其他节点也不容易获得利用网络的远距离传输的数据。

三、ZigBee协议的体系结构

Zigbee工作在2.4GHz或868/915MHz无线频带,Zigbee协议的整体框架包括物理层(Physical Layer,PHY)、介质访问控制层(Medium Access Control Layer,MAC)、数据链接层、网络层(Network Layer,NWK)、和应用汇聚层(Application Layer, APL)。其中物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准,并在此基础上进行了完善和扩展,而网络层及应用设备层是由ZigBee联盟制定的,用户只需编写自己需求的最高层应用协议。

四、ZigBee设备及其网络拓扑结构

ZigBee设备按照不同的功能,能够分为三种类型,它们分别为网络协调器(PAN Coordinator)、简单功能器件(Reduced Function Device) 和全功能器件(Full Function Device)。

启动、配置网络的设备由网络协调器负责。网络协调器能够支持各节点关联,保持间接寻址用的绑定表格,并负责各成员的链路状态信息管理、身份管理以及分组转发等任务。他同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器。

其网络拓扑结构如下图所示

五、无线通信技术Zigbee技术在无线安全监测系统的应用

ZigBee技术作为无线传感器网络的通信平台,实现对各种环境及生产参数全方位、实时监测和智能预警,以大大降低生产安全隐患。

每个节点都有接收信号强度指示功能(RSSI),所安装的无线传感器节点通过自组织就可以非常容易的形成一个无线传感器通信网络,在进行无线传感器节点的安装的时候,为了使无线传感器网络通信的性能能够得到有效的保证,必须引起我们的重视的就是,要求所有的节点都必须能够和三个以及三个以上的节点实现相互之间的通信,尽量避免单一线路的通信。如图2所示是整个无线传感器网络。

节点随着人员位置的移动,也就成为了移动节点。这些移动的节点能够与固定的无线传感器进行信息的交换,我们就能够借助固定位置的节点对工作人员的信息来核对,同时,能够把工作人员的信息向地面的监控中心进行传送,而且,工作人员的信息的显示可以通过地面的控制中心得到实现。

通过ZigBee协议的使用,以及IEEE 802.15.4标准的采用,从而实现的一个无线数据传输网络,这个无线数据传输网络是一个速率比较低、距离比较短的无线传感器网络,并且,这个无线数据传输网络具备比较低的射频传输成本。

主要性能指标如下:

1.组网与通信:完成无线传感器众多的不同的节点之间点到点、点到多点的无线通信,并且能够实现这些节点之间的自组网络,同时,也能够提供服务支持给基础和管理服务层。2.通信协议标准:ZigBee协议和IEEE802.15.4标准。3.网络拓扑结构:拓扑结构是网状的。4.应用系统:可以实现通用网络服务的提供,同时,也可以实现面向各个不同领域的网络服务的提供。5.管理与基础服务:通过组网与通信部分提供的服务,可以提供服务支持给应用系统。6.数据传输速率:250KBps。7.调制方式:DSSS(O-QPSK)。8.使用频段:2.4-2.483GHz.9.节点功耗:5OmW-300mW。10.接收灵敏度:-94dBm的接收灵敏度。11.时延:进行激活或信道接入的时延是15ms,进行设备搜索的时延是30ms。12.节点间通信范围:75m-100m。

设计系统硬件时,选用的传感器与通信器件,要符合耗电小、成本低、体积小等条件,并且电路板布建要容易,具备可动态配置、可自编程等特点。本文研究的系统硬件平台主要是分布式传感器节点。

本文设计的分布式无线传感器节点的硬件,包括MSP430F149模块、传感器模块、CC2420无线通信模块、存储模块和电源管理模块等。MSP430F149模块主要负责的工作是链路管理与控制,并执行基本频带通信协议和相关的处理过程,它包括建立链接、链路类型的支持、频率的选择、功率的模式、媒体的接入控制和安全算法等,然后对传感器模拟信号进行调理,并通过A/D转换,最后暂存于缓存中,并由无线 通信模块CC2420通过无线通信信道传送到主控节点,再进行信息特征的提取、信息融合等高层决策处理。整个节点可由外部直流电源供电或采用电池组,视具体情况而定。节点支持瓦斯、CO、顶板压力等各种传感器,能够根据监测的实际需要选择配置。

六、结束语

在当前科学技术飞速发展的新形势下,在无线传感器网络的发展的过程中,各种先进的技术都发挥了非常重要的技术支持作用,并且,也提供了很好的动力支持,笔者深信,在不远的将来,无线传感器网络肯定能够得到持续的发展,同时,可以获得更加广泛的应用。