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淺論基于Zigbee技術(shù)的家庭無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)系統的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，分析了Zigbee體系結構和網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。
論文關(guān)鍵詞:Zigbee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
1、引言
智能家居系統可以理解為利用電腦、網(wǎng)絡(luò )和綜合布線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)家庭信息平臺將與家居生活有關(guān)的各種通訊設備、家用電器和家庭保安裝置經(jīng)由家庭總線(xiàn)技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能化系統上，從而形成一個(gè)有機的整體(數字家庭網(wǎng)絡(luò )系統)，進(jìn)行集中的或異地的監視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設施與住宅的和諧與協(xié)調。而無(wú)線(xiàn)擇。智能家居系統的數據吞吐量要求很低，同時(shí)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的Zigbee技術(shù)出現了，它真正實(shí)現了寬帶網(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(gè)協(xié)議規定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。主要適合用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌人各種設備。Zigbee技術(shù)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢:
(1)成本低，Zigbee技術(shù)是免協(xié)議專(zhuān)利費的，而且每塊芯片的價(jià)格大約為2美元左右;(2)低功耗，在低耗電待機模式下，兩節五號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作半年至兩年時(shí)間甚至更長(cháng);)
(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(mǎn)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(shí)延，Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉人工作狀態(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)人網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)一步節省了電能;
(6)大容量，Zigbee可采用星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)，同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng);(7)安全性能好，Zigbee提供了三級安全模式，包括無(wú)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(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性.
基于上述特點(diǎn)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(lèi)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(shí)間數據等。因此Zigbee技術(shù)十分適合應用于智能家居系統之中。
3、Zigbee體系結構
Zigbee技術(shù)是建立在工EEE802.15.4標準之上的，IEEE802.15.4標準滿(mǎn)足了ISO(國際標準化組織)OSI(開(kāi)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(guò)SSCS(業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì )聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類(lèi)型1的LLC標準，同時(shí)允許其他LLC標準直接使用工EEE802.15.4的MAC層服務(wù)。IEEE802.15.4定義了2.4GHz物理層和868 / 915MHz物理層2個(gè)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，區別主要存在于工作頻率、調制技術(shù)、擴頻碼片長(cháng)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(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個(gè)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，通過(guò)彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的Zigbee網(wǎng)絡(luò )。而且，由于人員的移動(dòng)，彼此間的聯(lián)絡(luò )還會(huì )發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過(guò)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(jìn)行刷新，這就是自組織網(wǎng)。該架構被稱(chēng)為無(wú)基礎構架的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Ad Hoe Wireless LAN)，這種架構對網(wǎng)絡(luò )內部的設備數量不加限制，并可隨時(shí)建起無(wú)線(xiàn)通信鏈路。例如，協(xié)調器一直處于監聽(tīng)狀態(tài)，當一個(gè)新添加的RFD(簡(jiǎn)功能設備)被網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)發(fā)現時(shí)，FFD(全功能設備)會(huì )把RFD的信息傳送給協(xié)調器，由協(xié)調器進(jìn)行編址，并計算其路由信息，更新數據轉發(fā)表和設備關(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)調器，并對周?chē)腞FD設備進(jìn)行輪詢(xún)，記錄它們的地址信息，通知協(xié)調器更新路由，此時(shí)新加人的FFD起到了一個(gè)橋梁的作用，RFD通過(guò)FFD和協(xié)調器進(jìn)行間接通訊。這種分層結構，便于管理，增加了網(wǎng)絡(luò )的透明度，有利于發(fā)現并自動(dòng)添加新人網(wǎng)設備。在Zigbee網(wǎng)絡(luò )中，所有設備均有一個(gè)64bit的工EEE地址，可以分配一個(gè)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(wǎng)絡(luò )號十設備標識;點(diǎn)對點(diǎn):直接使用源/目的地址。協(xié)調器將參與地址的分配和記錄工作，在建立和啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )過(guò)程中，設置惟一的網(wǎng)絡(luò )標識符以及每個(gè)節點(diǎn)都包含一個(gè)唯一的6468IEEE MAC地址。這樣做是基于保護個(gè)人隱私考慮的，保證這種便攜設備不會(huì )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(huì )被其它節點(diǎn)獲得。為了避免Zigbee的接人競爭，Zigbee通過(guò)MAC層提供保證的時(shí)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節點(diǎn)試圖避免傳送的信號與其它節點(diǎn)或其它無(wú)線(xiàn)電源的信號相重疊，則Zigbee節點(diǎn)會(huì )消耗額外的能量，它們必須在發(fā)送信號之前偵聽(tīng)空中是否還有其它信號在傳送。
Zigbee網(wǎng)絡(luò )常見(jiàn)的有兩種拓撲結構，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(shí)用，網(wǎng)狀網(wǎng)通信實(shí)際上就是多通道通信。在應用現場(chǎng)，由于各種原因，往往并不能保證每一個(gè)無(wú)線(xiàn)通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車(chē)禍，道路維修等，使得某條道路的出現暫時(shí)中斷，此時(shí)由于我們有多個(gè)通道，車(chē)輛(相當于我們的控制數據)仍然可以通過(guò)其他道路到達目的地。而這一點(diǎn)對現場(chǎng)控制而言非常重要。而在Zigbee技術(shù)中采用了動(dòng)態(tài)路由的方式，所謂動(dòng)態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò )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(guò)對網(wǎng)絡(luò )當時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)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(jìn)行數據傳輸。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(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸，以此類(lèi)推直到數據送達目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)，預先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過(guò)于繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結合網(wǎng)狀拓撲結構，就可以很好解決這個(gè)問(wèn)題從而保證數據的可靠傳輸。
5、結束語(yǔ)
Zigbee技術(shù)與智能家居系統的的結合有著(zhù)廣泛的應用前景，本文主要探討了基于該技術(shù)的家庭無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構建與應用。這種方式在現實(shí)生活中具有很強的應用性，相信在不遠的將來(lái)，會(huì )有越來(lái)越多由Zigbee技術(shù)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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