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zigbee協(xié)議范文1
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；zigbee技術(shù)；協(xié)議棧；物理層；數(shù)據(jù)鏈路層
中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2013）18-4220-03
Zigbee為一種標(biāo)準(zhǔn)化的無線通信技術(shù)，以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗的需要[1]。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，主要應(yīng)用于短距離的無線連接。Zigbee作為新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動低速率個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。它以靈活、機(jī)動的組網(wǎng)方式，使用CSMA/CA信道接入機(jī)制，以及數(shù)據(jù)確認(rèn)和加密機(jī)制，網(wǎng)狀多路徑數(shù)據(jù)傳輸，使得Zigbee技術(shù)自正式推出以后，就得到科學(xué)和商業(yè)的廣泛關(guān)注[6-7]。正如Zigbee聯(lián)盟主席所說，Zigbee技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最好的選擇[2-3]。
Zigbee協(xié)議棧與傳統(tǒng)的計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)一樣，通過層來量化它的各個簡化標(biāo)準(zhǔn)，每層負(fù)責(zé)執(zhí)行該層特定的功能，同時為上層提供服務(wù)。其協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：物理層（PHY）和媒體訪問控制層（MAC）由IEEE802.15.4[4-5]協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)致力于提供一種低復(fù)雜度、低成本、低功耗和低速率的無線通信技術(shù)，對信道選擇、能量檢測、鏈路質(zhì)量、清除信道評估（CCA）、信標(biāo)管理、信道接入、時隙管理、發(fā)送連接與斷開連接等進(jìn)行了規(guī)范。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：精簡功能設(shè)備（RFD）和全功能設(shè)備（FFD）。FFD具有路由能力，在點(diǎn)對點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中可與任意節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信；RFD功能有限，不管在何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中只能與其父節(jié)點(diǎn)FFD設(shè)備進(jìn)行通信。網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用框架層由Zigbee聯(lián)盟制定，對網(wǎng)絡(luò)建立、設(shè)備的連接與斷開、幀安全機(jī)制，設(shè)備對象等進(jìn)行了規(guī)范。Zigbee標(biāo)準(zhǔn)在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上定義了三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：協(xié)調(diào)器設(shè)備（ZC）、路由器設(shè)備（ZR）和終端設(shè)備（ZED）。應(yīng)用框架層為Zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型，用戶可根據(jù)自己的應(yīng)用需求來開發(fā)應(yīng)用。各層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的特性將在后面章節(jié)詳細(xì)介紹。
1 物理層概述
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)說明了使用的無線頻段、物理層和MAC層。針對不同的國際和地區(qū)，Zigbee技術(shù)允許其使用不同的工作頻率。IEEE801.15.4工作在3個不同的ISM頻段：2.4GHz（全球通用頻段）和868/915MHz。3個頻段共規(guī)范了27個物理信道，其中2.4GHz頻段定義了16個信道，915MHz頻段定義了10個信道，868MHz頻段定義了1個頻段。對于各個國家和地區(qū)采用的工作頻率范圍的不同，為提供數(shù)據(jù)的傳輸速率，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)針對不同的頻率范圍規(guī)定了不同的調(diào)制方式。因而在不同的頻率段中，其數(shù)據(jù)傳輸速率不同，具體調(diào)制方式和傳輸速率如表1所示。
Zigbee技術(shù)對發(fā)射功率也進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)范，遵照不同國家和地區(qū)制定了不同的最大發(fā)射功率，發(fā)射功率范圍為0～10dBm，其通信距離為10～300m。在誤碼率小于1%的條件下，Zigbee的接收靈敏度為-85dBm。為適應(yīng)低速率、低功耗的無線通信傳輸，IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)物理層定義了適用于3個頻段的通用規(guī)范，包括以下三類：
1）接收機(jī)能量檢測（ED，energy detection）：EQ用來評估信道帶寬內(nèi)接收機(jī)的信號能量，其檢測結(jié)果以8個比特的整數(shù)來表示，通過物理層原語PLME-ED.confirm向媒體訪問控制層的管理實(shí)體報告所檢測的結(jié)果。
2）鏈路服務(wù)質(zhì)量（LQI，Link quality indicator）。LQI用來評估接收機(jī)所接收的數(shù)據(jù)包強(qiáng)度和品質(zhì)，其數(shù)值用一個8比特的整數(shù)來表示，其值的大小表示鏈路質(zhì)量的高低，并通過物理層原語PD-DATAA.indication發(fā)送給媒體訪問控制層。
3）清除信道評估（CCA，Clear channel assessment）。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層協(xié)議規(guī)范了3種清除信道評估模式。
① 清除信道評估模式1：若通過能量檢測，其信道能量大于閾值能量時，則返回忙的信息。
② 清除信道評估模式2：載波判斷，當(dāng)清除信道評估檢測到一個擴(kuò)展的調(diào)制信號時，給出一個忙的信息。其中這個信息可能高于或低于能量檢測門限值。
③ 清除信道評估模式3：當(dāng)清除信道評估檢測到一個擴(kuò)展信號時，且擴(kuò)展信號攜帶的能量大于閾值能量，則返回忙的信息。
對于以上任意一種清除信道評估模式，如果物理層正在接收數(shù)據(jù)時，若收到PLME-CCA請求原語，清除信道評估也會返回忙的信息。當(dāng)檢測到信道忙時，物理層用PLME-CCA.confirm原語向媒體訪問控制層發(fā)送一個具有BUSY狀態(tài)的信息，當(dāng)檢測信道空閑時，發(fā)送一個具有IDLE狀態(tài)的信息到媒體訪問控制層。
2 媒體訪問控制層（MAC）
2.1 MAC層概述
在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，給出了MAC協(xié)議的規(guī)范，以便于接入物理層無線信道。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)為物理層與網(wǎng)絡(luò)層之間的數(shù)據(jù)傳輸提供一個接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送、接收和處理排列中清除一個MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元。MAC層管理服務(wù)允許上層與MAC層管理實(shí)體之間傳輸管理指令，其主要功能為設(shè)備通信鏈路的連接和斷開管理、信標(biāo)管理、個域網(wǎng)信息庫管理、孤點(diǎn)管理、復(fù)位管理、接收管理、信道掃描管理、通信狀態(tài)管理、設(shè)備的狀態(tài)管理、啟動、網(wǎng)絡(luò)同步、輪詢管理等。
2.2 信道掃描
所有設(shè)備都必須能夠?qū)λ?guī)定的一系列信道進(jìn)行被動和孤點(diǎn)掃描，同時FFD還具有能進(jìn)行能量檢測和主動掃描。在FFD作為個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器前，首先進(jìn)行能量檢測或主動掃描，或者在選擇與一個個域網(wǎng)建立連接前，執(zhí)行主動或被動掃描；設(shè)備通過孤點(diǎn)掃描來鎖定失去連接的父節(jié)點(diǎn)。對于RFD可選擇能量檢測掃描或主動掃描來選擇合適的信道連接網(wǎng)絡(luò)。
1）ED信道掃描
通過一次掃描各個信道，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以得到各個信道的峰值能量。通過這個信息，設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以選擇合適出信道，以接入到網(wǎng)絡(luò)。對每一個邏輯信道，MAC層管理實(shí)體設(shè)置相應(yīng)的信道序列號，且切換到相應(yīng)的信道，在[aBaseSuperframeDuration×（2n+1）]個符號周期內(nèi)重復(fù)地對該信道進(jìn)行能量檢測（其中n為掃描參數(shù)值0-14之間），在此期間內(nèi)所得到的最大能量檢測值。其中設(shè)備能夠存儲1到信道能量檢測最大值之間的數(shù)值。
2）被動信道掃描
設(shè)備在選擇與一個個域網(wǎng)建立連接之前，可以執(zhí)行被動掃描。與主動掃描類似，它允許設(shè)備鎖定它所在的個域網(wǎng)中任何發(fā)送信標(biāo)的協(xié)調(diào)器。在PAN描述器的最大值或已經(jīng)掃描所有信道后，掃描結(jié)束。
3）孤立信道掃描
對每一個邏輯信道，設(shè)備首先設(shè)置當(dāng)前信道值，且切換到相應(yīng)的信道，然后發(fā)送一個孤立通告命令；這時接收機(jī)處于工作狀態(tài)，接收時間最多為aResponseWaitTime個符號周期，在等待時間內(nèi)接收協(xié)調(diào)器重新連接命令，設(shè)備關(guān)閉接收機(jī)。當(dāng)設(shè)備受到重新連接命令或者已經(jīng)掃描過所有規(guī)范的邏輯信道后，孤立信達(dá)掃描結(jié)束。
2.3 MAC層幀結(jié)構(gòu)
MAC層幀結(jié)構(gòu)由三個部分組成：MAC層幀頭、可變長MAC載荷和幀尾。幀控制域包括幀類型的定義、地址子域與其他控制信息，定義幀的類型、格式等。在地址域中，存在著兩種地址：64位的IEEE MAC地址和16位的Zigbee網(wǎng)絡(luò)地址，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，可以采用任意一種尋址方式。幀載荷域的長度可變，不同幀類型所包含的不同的信息。在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，給出了4種幀的定義：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。信標(biāo)幀和數(shù)據(jù)幀包含高層信息，而確認(rèn)幀和命令幀由MAC層產(chǎn)生。
3 結(jié)論
Zigbee技術(shù)為一Zigbee為一種標(biāo)準(zhǔn)化的、能滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、低功耗需要的無線通信技術(shù)。該文對Zigbee協(xié)議棧中的相關(guān)信息做了詳細(xì)的介紹。首先介紹了Zigbee協(xié)議棧的整體結(jié)構(gòu)，從物理層到應(yīng)用層，逐一分析了Zigbee標(biāo)準(zhǔn)各層的特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的頻段和通用規(guī)范、信道掃描的分類和幀結(jié)構(gòu)。
參考文獻(xiàn)：
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zigbee協(xié)議范文2
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee協(xié)議；多跳；協(xié)調(diào)器；路由器；終端設(shè)備
中圖分類號：TP79
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN，WirelessSensorNetwork）是由多個節(jié)點(diǎn)組成的面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，它綜合了無線通信技術(shù)，傳感器技術(shù)，微機(jī)電技術(shù)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域，借助各類傳感器對檢測目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過無線通信的方式把信息發(fā)送給觀測者。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有不依賴有線基礎(chǔ)設(shè)施，可以自組網(wǎng)和允許網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一些不適合人類直接參與的檢測環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事、空間探索和災(zāi)難拯救等特殊領(lǐng)域有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢，在環(huán)境、健康、家庭和其他商業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
1 ZigBee協(xié)議
ZigBee協(xié)議是一種建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的短距離，低速率的無線通信協(xié)議，其中物理層和鏈路層由IEEE802.15.定義，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟規(guī)范。與其他短距離無線通信技術(shù)相比，ZigBee協(xié)議具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）功耗低。低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)5號電池就可以是由6個月以上。（2）具有3個無線收發(fā)器頻段。868MHZ（歐盟）；902MHZ（美國）；2.4GHZ。（3）網(wǎng)絡(luò)容量大。可支持6500個節(jié)點(diǎn)設(shè)備。（4）采用CSMA-CA機(jī)制，有效的避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時因碰撞產(chǎn)生的沖突。（5）網(wǎng)絡(luò)安全性高。采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了加密算法，有效的保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行院桶踩浴?/p>
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成一般都由傳感器模塊、處理模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊這四部分構(gòu)成：（1）傳感器模塊。本設(shè)計中傳感器采用數(shù)字濕度溫度傳感器SHT10，SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價比。每個傳感器芯片都在極為精確的恒溫室中進(jìn)行標(biāo)定。通過兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使系統(tǒng)集成變得快速而簡單。（2）處理模塊。處理器單元采用ATMEL公司的ATmega128L芯片。ATmega128L為基于AVRRISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器。它具有非常豐富的資源，具有片內(nèi)128K字節(jié)的程序存儲器（Flash），4K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器（SRAM，可外擴(kuò)到64K）和4K字節(jié)的EEPROM。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時間，ATmega128L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。（3）無線通信模塊。無線通信單元采用Chipcon公司的CC2420射頻芯片。是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定，功耗極低。（4）能量供應(yīng)模塊。能量供應(yīng)模塊主要是電池來實(shí)現(xiàn)，目前常用的傳感器電池有兩種，一種是常用可充電電池，如可充電鋰鈕扣電池LIR2450，該類電池具有電壓高、平均電壓為3.6伏，充放電循環(huán)特性優(yōu)秀，但是由于其額定容量小，而且許多傳感器都會放在一些特殊的環(huán)境中，再次充電的可能性很小，從而減少了網(wǎng)絡(luò)的生命周期；如果是在一些允許的環(huán)境中采集數(shù)據(jù)，常采用兩節(jié)普通的5號AA電池，則可以維持更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
3 軟件設(shè)計
Zigbee協(xié)議定義了三種設(shè)備類型：（1）協(xié)調(diào)器程序設(shè)計。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都必須包含一臺協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的主要功能是為建立和啟動網(wǎng)絡(luò)這一過程設(shè)置參數(shù)。（2）路由器程序設(shè)計。本程序設(shè)計的路由器就有兩部分組成，一個是路由器入網(wǎng)程序流程圖，另一個是路由程序流程圖。（3）終端設(shè)備程序設(shè)計。終端設(shè)備不參與路由選擇，由于路由器和終端設(shè)備被整合到網(wǎng)絡(luò)之中，所以它們從協(xié)調(diào)器或從任何已經(jīng)處于網(wǎng)絡(luò)中的路由器那里可以獲得有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息。這些信息可以讓其他設(shè)備設(shè)置操作參數(shù)，并因此加入網(wǎng)絡(luò)之中。
圖1 協(xié)調(diào)器程序
圖2 路由器程序流程圖
4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果
按照上述設(shè)計組建網(wǎng)絡(luò)后，把對應(yīng)的程序燒錄到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。等待終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)采集完成后，數(shù)據(jù)發(fā)送到路由器節(jié)點(diǎn)，并由路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終傳送到計算機(jī)，在串口調(diào)試助手中可以看到如下的提示信息：
其中陰影部分為采集到的數(shù)據(jù)，表示收到長度為41的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)地址為0x1430，一共采集到了八組數(shù)據(jù)。說明所有節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式，成功的組成了一個基于路由的多跳網(wǎng)絡(luò)，并能夠正確工作，達(dá)到了設(shè)計的目的。
5 結(jié)束語
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是資源受限網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)因受能源限制，其發(fā)射功率較低，因此網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由，從而形成多跳網(wǎng)絡(luò)，本文基于ZigBee協(xié)議，通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計來成功實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的多跳路由。
參考文獻(xiàn)：
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zigbee協(xié)議范文3
Abstract:The paper introduced development and features of wireless sensor networks. Based on analysis and comparison of several popular wireless sensor networks routing protocols, it proposed a ZigBee wireless sensor networks routing algorithm combining with characteristics of heading face of coal mine underground, which was fit for mesh topology. And the routing's establishment, maintenance and recovery were described in details. The routing algorithms had some reference value to other systems with ZigBee mesh topology.
關(guān)鍵詞:滅火救援 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 路由協(xié)議 ZigBee
Key words:coal mine heading face wireless sensor networks routing protocol ZigBee
引言
ZigBee技術(shù)以其低功耗、低復(fù)雜度、低成本、大容量、短時延等優(yōu)越特性在無線通信領(lǐng)域異軍突起,應(yīng)用日趨廣泛。在消防領(lǐng)域的滅火救援過程中,及時準(zhǔn)確地獲知消防人員的位置及狀態(tài)信息是至關(guān)重要的。利用配帶在救援人員的ZigBee無線模塊,可組成一個全無線的消防報警網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)兼有無線追蹤定位功能,可通過建筑物內(nèi)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及消防人員隨身攜帶的移動裝置,動態(tài)掌握進(jìn)入火災(zāi)現(xiàn)場的人員位置和狀態(tài)。
滅火救援現(xiàn)場隨機(jī)性強(qiáng),人員相對位置的改變非常頻繁,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁改變,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)。為此,本文針對基于ZigBee技術(shù)組建的現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng),設(shè)計了一種能夠適應(yīng)滅火救援過程工作特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,可實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)來覆蓋所有設(shè)備能到達(dá)的區(qū)域。該路由協(xié)議的特點(diǎn):多跳路由、自動組網(wǎng),以滿足不斷變化的網(wǎng)絡(luò),解決上述問題。
一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
以IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為第四代傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由普通節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心組成,普通節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)采集;中繼節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多跳中繼傳輸和數(shù)據(jù)匯聚接收;網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)完成無線和有線信號轉(zhuǎn)換;監(jiān)控中心完成區(qū)域數(shù)據(jù)的綜合處理。普通節(jié)點(diǎn)通過多跳中繼方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),最終通過有線方式將無線區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行集中處理。
二、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組,從源節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn)。它主要包括兩個方面的功能:尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化路徑;將數(shù)據(jù)分組沿著優(yōu)化路徑正確轉(zhuǎn)發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限,路由協(xié)議關(guān)心整個網(wǎng)絡(luò)能量的均衡消耗以及能量的高效利用。因此,路由協(xié)議直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能和壽命;另外,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的應(yīng)用相關(guān)性,不同應(yīng)用中的路由協(xié)議可能差別很大,沒有一個通用的路由協(xié)議可以滿足所有的應(yīng)用,因此,需要根據(jù)具體應(yīng)用研究最優(yōu)的路由協(xié)議,當(dāng)前流行的幾個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議如下所述。
2.1洪泛協(xié)議
洪泛(Flooding)協(xié)議是一種傳統(tǒng)的無線通信路由協(xié)議。該協(xié)議規(guī)定,每個節(jié)點(diǎn)接收來自其它節(jié)點(diǎn)的信息,并以廣播的形式發(fā)送給其它鄰居節(jié)點(diǎn),如此繼續(xù)下去,最后將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)。但該協(xié)議容易引起信息的“內(nèi)爆”(Implosion)和“重疊”(Overlap),造成資源的浪費(fèi)。
2.2閑聊協(xié)議
閑聊(Gossiping)協(xié)議是在洪泛協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而提出的。它傳播信息的途徑是隨機(jī)地選擇一個鄰居節(jié)點(diǎn),獲得信息的鄰居節(jié)點(diǎn)以同樣的方式隨機(jī)地選擇下一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的傳遞。該協(xié)議避免了以廣播形式進(jìn)行信息傳播的能量消耗,代價是延長了信息的傳遞時間,雖然在一定程度上解決了信息的“內(nèi)爆”問題,但是仍然存在信息的“重疊”現(xiàn)象。
2.3SPIN協(xié)議
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)協(xié)議是以數(shù)據(jù)為中心的自適應(yīng)路由協(xié)議,通過協(xié)商機(jī)制來避免Flooding協(xié)議和Gossiping協(xié)議的“內(nèi)爆”和“重疊”問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)只有在收到相應(yīng)請求時才有目的地發(fā)送數(shù)據(jù)信息。SPIN協(xié)議有3種類型的消息,即ADV、REQ和DATA。在發(fā)送一個DATA數(shù)據(jù)包之前,一個傳感器節(jié)點(diǎn)首先對外廣播ADV數(shù)據(jù)包。如果某一個節(jié)點(diǎn)希望接收該數(shù)據(jù)信息,則向發(fā)送ADV數(shù)據(jù)包的節(jié)點(diǎn)回復(fù)REQ數(shù)據(jù)包,由此建立起發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的聯(lián)系,之后發(fā)送節(jié)點(diǎn)便向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送DATA數(shù)據(jù)包。SPIN協(xié)議的工作流程如圖1所示。
圖1SPIN協(xié)議的工作流程圖
2.4定向擴(kuò)散協(xié)議
定向擴(kuò)散(Directed Diffusion)協(xié)議是一種基于查詢的路由機(jī)制。整個過程可以分為興趣擴(kuò)散、梯度建立以及路徑加強(qiáng)3個階段。在興趣擴(kuò)散階段,匯聚節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送其想要獲取的信息種類或內(nèi)容。興趣消息中含有任務(wù)類型、目標(biāo)區(qū)域、數(shù)據(jù)發(fā)送速率、時間戳等參數(shù)。每個傳感器節(jié)點(diǎn)在收到該信息后,將其保存在緩存(CACHE)中。當(dāng)整個信息要求傳遍整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)后,便在傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)之間建立起一個梯度場,梯度場的建立以成本最小化和能量自適應(yīng)為原則。一旦傳感點(diǎn)感興趣的數(shù)據(jù),就會根據(jù)建立的梯度場尋求最快路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。梯度場建立過程如圖2所示。
圖2定向擴(kuò)散協(xié)議的梯度場建立過程示意圖
2.5LEACH協(xié)議
LEACH ( Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議是一種以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標(biāo)的自適應(yīng)分簇拓?fù)鋮f(xié)議。它的執(zhí)行過程是周期性的,每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段,相鄰節(jié)點(diǎn)動態(tài)地形成簇,隨機(jī)產(chǎn)生簇頭;在數(shù)據(jù)通信階段,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭,簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合并將結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。由于簇頭需要完成數(shù)據(jù)融合以及與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信等工作,所以能量消耗大。LEACH協(xié)議隨機(jī)循環(huán)選擇簇頭,將能量負(fù)載平均分配到每個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中,進(jìn)而可以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。LEACH協(xié)議可將網(wǎng)絡(luò)生命周期延長15%。
對上面這些協(xié)議進(jìn)行比較分析后得出,一個好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)具備如下特征:具有動態(tài)的選擇匯聚節(jié)點(diǎn)的能力、快速的數(shù)據(jù)融合技術(shù)、隨機(jī)路徑選擇能力。
三、改進(jìn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議
在滅火救援過程實(shí)際應(yīng)用中,從功能上將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為無線主節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)3種。救援人員的無線設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與無線主節(jié)點(diǎn)通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種能量有限的網(wǎng)絡(luò),如果網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)能量消耗過快,會使節(jié)點(diǎn)在短時間內(nèi)失效,從而導(dǎo)致有效傳感區(qū)域變小,影響數(shù)據(jù)采集結(jié)果。如何有效減少并平衡網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的能量消耗,從而使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化,是協(xié)議設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。通過分析和實(shí)驗(yàn),筆者將定向擴(kuò)散協(xié)議和以最小化傳感器網(wǎng)絡(luò)能量損耗為目標(biāo)的LEACH分簇拓?fù)鋮f(xié)議有機(jī)結(jié)合,設(shè)計了適用于滅火救援工作過程的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。
3.1路由建立
本文的路由建立過程類似于定向擴(kuò)散協(xié)議中的興趣擴(kuò)散、梯度建立過程,采用由頂至底的路由生成算法。首先由無線主節(jié)點(diǎn)對所有的無線路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)“配置系統(tǒng)命令幀”,這是一種由頂至底的擴(kuò)散尋呼請求。
(1)由無線主節(jié)點(diǎn)向下進(jìn)行一次一跳地擴(kuò)散尋呼請求,尋呼請求消息中包含有源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的ID號、消息編號、鏈路時鐘值等。
(2)在尋呼請求消息擴(kuò)散方向上,下游節(jié)點(diǎn)收到上游節(jié)點(diǎn)的請求后,修改鏈路時鐘值,對自身ID號和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)ID號進(jìn)行比較判斷,如果相等則進(jìn)入休眠狀態(tài)直至回應(yīng)周期時間到,然后發(fā)回答幀;如果不等則記錄上游節(jié)點(diǎn)的位置信息,修改路由跳數(shù)等字段,繼續(xù)向其鄰近下游節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散路由請求,然后進(jìn)入休眠狀態(tài)直至回應(yīng)周期時間到,然后自動喚醒進(jìn)入準(zhǔn)備接收狀態(tài)。對于鄰近下游節(jié)點(diǎn),如果收到相同編號的消息,則簡單地將后來的消息丟棄。
(3)當(dāng)無線主節(jié)點(diǎn)收到所有無線路由節(jié)點(diǎn)的回答后,構(gòu)造路由表。
(4)路由表建立之后,系統(tǒng)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)。在正常工作狀態(tài)時,無線路由節(jié)點(diǎn)的生命周期直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的生命周期。信息在傳遞的過程中,無線路由節(jié)點(diǎn)的使用頻率最高,能量消耗最大,因此,必須平衡整個網(wǎng)絡(luò)的無線路由節(jié)點(diǎn)的能量消耗,以延長無線網(wǎng)絡(luò)的生命周期。本文將整個工作周期分為收集數(shù)據(jù)進(jìn)程、上行傳輸進(jìn)程、下行傳輸進(jìn)程3個部分。收集數(shù)據(jù)進(jìn)程結(jié)束后,網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入上行傳輸進(jìn)程,由節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)最低的無線路由節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)幀,工作時間結(jié)束即進(jìn)入休眠狀態(tài)。
3.2路由維護(hù)
由于網(wǎng)絡(luò)的無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)是經(jīng)常移動的,因此,網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨時發(fā)生變化,這就要求系統(tǒng)的路由維護(hù)是動態(tài)的。本文采用的算法是主機(jī)點(diǎn)名-重建路由算法,即在上行傳輸進(jìn)程結(jié)束時,主機(jī)點(diǎn)名;當(dāng)3次有未出現(xiàn)的無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)時,定義為無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)丟失,這時需檢查修復(fù)無線設(shè)備節(jié)點(diǎn)。路由建立之后,為了在維持每條路由信息的同時減少對節(jié)點(diǎn)存儲空間的需求,每個傳感器節(jié)點(diǎn)僅對經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前路由信息進(jìn)行緩存。路由信息僅在節(jié)點(diǎn)上保存較短的時間,如果現(xiàn)存的路由信息得不到及時刷新,則該路由信息將被置為無效,并最終被清除。為了維護(hù)現(xiàn)存的路由,在一條路徑上如果當(dāng)前路由信息仍然有效,則每當(dāng)有新的數(shù)據(jù)發(fā)送后,當(dāng)前的路由信息就被及時刷新,這樣可保證對突發(fā)通信實(shí)現(xiàn)連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。
3.3路由恢復(fù)
路由恢復(fù)與路由維護(hù)所不同的是:無線路由節(jié)點(diǎn)會因?yàn)殡娫春谋M或受到物理損毀后失效,從而導(dǎo)致路由中斷。為了盡快恢復(fù)節(jié)點(diǎn)間的通信能力,需要對路由進(jìn)行修復(fù)。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)損壞的路由,路由協(xié)議需要具備有效的路由中斷發(fā)現(xiàn)機(jī)制。傳統(tǒng)的方法是使鄰近節(jié)點(diǎn)之間定期發(fā)送Hello消息以探測鄰近節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),確定路由斷點(diǎn),從而修復(fù)路由。但是周期性的Hello消息會在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生大量的流量,導(dǎo)致帶寬和能量有限、通信不可靠的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在消耗大量能量的同時,性能急劇惡化。為了減少網(wǎng)絡(luò)中的流量、節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量,必須以盡可能少的消息恢復(fù)無線主節(jié)點(diǎn)和無線路由節(jié)點(diǎn)之間的路由。對此仍然采用主機(jī)點(diǎn)名-重建路由算法,重建路由時可以檢測到損壞的無線路由節(jié)點(diǎn),對其進(jìn)行更換并重建路由。
zigbee協(xié)議范文4
【關(guān)鍵詞】 無線傳輸 zigbee 飛思卡爾 集成電路
1 無線傳輸協(xié)議
提起無線傳輸技術(shù)，或許很多人會想到紅外（irda）、想到調(diào)頻（fm），甚至?xí)氲絞sm，cdma，bluetooth，這些都是無線技術(shù)發(fā)展的里程碑，是無線技術(shù)發(fā)展到成熟，結(jié)合實(shí)際應(yīng)運(yùn)而生的科技產(chǎn)物，并在各自的領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。
隨著通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，對于短距離無線通信的需求越來越多，各大著名半導(dǎo)體廠商組成各種協(xié)議聯(lián)盟，研發(fā)出多種應(yīng)用于不同領(lǐng)域的短距離傳輸協(xié)議，比如用于超短距離傳輸大批量數(shù)據(jù)的uwb（（ultra wideband）），應(yīng)用于非標(biāo)準(zhǔn)無線射頻協(xié)議的ant，以及本文要介紹的，應(yīng)用于低功耗、短距離傳輸?shù)膠igbee協(xié)議。
2 協(xié)議的發(fā)展
zigbee協(xié)議是由包括飛思卡爾半導(dǎo)體在內(nèi)的zigbee聯(lián)盟制定的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，zigbee聯(lián)盟成員包括飛思卡爾、摩托羅拉、三星等著名半導(dǎo)體廠商。 zigbee聯(lián)盟的目的是為了在全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)上實(shí)現(xiàn)簡單可靠、價格低廉、功耗低、無線連接的監(jiān)測和控制。
zigbee是基于ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗協(xié)議。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。zigbee技術(shù)也是依靠各個節(jié)點(diǎn)去傳遞信息，zigbee可以組建成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量可多達(dá)65535個。表1總結(jié)了各種常見的協(xié)議的特點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域。從表中可以看到，zigbee的特點(diǎn)是傳輸距離短、復(fù)雜度低、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、可以組成網(wǎng)絡(luò)。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。（表1）
任何協(xié)議，任何產(chǎn)品都要有應(yīng)用才有存在的價值，那么zigbee可以應(yīng)用到那些領(lǐng)域呢？圖1所示，如下場合適合zigbee技術(shù)：1）設(shè)備成本低、傳輸數(shù)據(jù)量小。2）設(shè)備體積小，不便放置較大的充電電池或者充電模塊。3）沒有充足的電源支持，只能使用一次性電池供電。4）需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)控或控制。結(jié)合到具體的領(lǐng)域，如工業(yè)、農(nóng)業(yè)的自動監(jiān)測、控制；tv、dvd、cd等個人消費(fèi)電子的無線遙控；家居自動化、安防、門禁；以及一些pc的外圍設(shè)備，如鼠標(biāo)、鍵盤；甚至于個人健康的監(jiān)控、診斷等等。
3 飛思卡爾系列芯片
飛思卡爾半導(dǎo)體一直是業(yè)界的領(lǐng)軍者。飛思卡爾的zigbee系列產(chǎn)品占全球銷售排名第一。mc1319x代表的是第一代zigbee基本協(xié)議產(chǎn)品，兼容802.15.4協(xié)議。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，飛思卡爾又研發(fā)了高集成度且低功耗的第二代系統(tǒng)級封裝（sip）mc1321x系列產(chǎn)品，在同一個封裝內(nèi)集成了微控制器（mcu）和射頻（rf）芯片，這樣既減少了產(chǎn)品的尺寸，節(jié)省了成本，又也增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，增強(qiáng)了抗干擾能力。又相繼研發(fā)了基于arm7的高度集中的mc1322x系列高端產(chǎn)品。
為滿足不斷增長的技術(shù)需求，飛思卡爾又為zigbee rf4ce消費(fèi)電子產(chǎn)品推出了mc1323x片上系統(tǒng)（sop）系列產(chǎn)品。由于mc1323x系列具有獨(dú)特的監(jiān)測和監(jiān)控功能組合，它非常適合一般市場應(yīng)用，如遠(yuǎn)程控制、電視、機(jī)頂盒、便攜式血壓計、體重計和家用電器等。此外，飛思卡爾還為多個不同的硬件平臺提供軟件、參考設(shè)計以及開發(fā)工具箱，用于評估m(xù)c1323x片上系統(tǒng)，并允許開發(fā)人員選擇最能滿足他們需求的硬件和軟件平臺，更好更快的把飛思卡爾的zigbee產(chǎn)品應(yīng)用到其研發(fā)產(chǎn)品中去。
4 zigbee的發(fā)展
未來zigbee將緊密結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)大概念方向趨勢的發(fā)展，并在傳輸層界面上發(fā)揮著重要的的角色。在zigbee聯(lián)盟的推動下，zigbee技術(shù)將朝著開發(fā)soc，更多規(guī)范，結(jié)合ipv6，更廉價，更省電，更快速等方向發(fā)展。從應(yīng)用領(lǐng)域和方向方面來看，zigbee也可以擴(kuò)展到目前的智能手機(jī)領(lǐng)域，取代藍(lán)牙、wifi用于短距離數(shù)據(jù)傳輸，具有低功耗、低成本的優(yōu)勢。相信隨著技術(shù)的成熟，協(xié)議的改進(jìn)，zigbee技術(shù)會有很好的應(yīng)用前景。
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zigbee協(xié)議范文5
關(guān)鍵詞：ZigBee 電子產(chǎn)品 智能家居建筑 智能控制
中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0197-02
由于信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益進(jìn)入人們的生活，人們正在追求生活細(xì)節(jié)的簡單化，向往生活智能化，盼望在家居建筑中都能置入智能化程序，享受“一鍵”式的簡單生活操作。因此，智能家居等概念被很快推廣，特別是各種新研究成果在智能家居控制中不斷得到應(yīng)用，ZigBee通信技術(shù)便是其中非常重要的一種。家庭中那些獨(dú)立的家用電器利用ZigBee通信協(xié)議組成了一個統(tǒng)一完善的系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上利用現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對家用電器等設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)調(diào)節(jié)控制，從而便捷地對各種家用電器電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)了最終操作。
1 ZigBee技術(shù)概述
ZigBee屬于一種局域網(wǎng)通信協(xié)議，它基IEEE 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee又叫做紫蜂協(xié)議，它源自蜜蜂特有的八字舞，蜜蜂（即bee）之間傳遞花粉所在位置地址信息是靠飛翔和“嗡嗡”（即zig）地擺動翅膀的“舞蹈”動作實(shí)現(xiàn)的，這樣便構(gòu)成了蜜蜂群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種價格低距離短功耗少的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee協(xié)議由下至上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。智能家居中的各種照明、抄表系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、傳感器、門禁系統(tǒng)和其他信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量還是比較小的，沒有必要采用具備過大傳輸速率的通信協(xié)議，只要求可靠性強(qiáng)、容量大、低功耗、實(shí)時性和自組織性強(qiáng)。綜合上述要求及相關(guān)特點(diǎn)，ZigBee技術(shù)是滿足智能家居控制最合適的選擇。
2 ZigBee通信協(xié)議的特點(diǎn)與性能
2.1 ZigBee通信協(xié)議的特點(diǎn)
功耗較低；容量大；距離短；成本較低；時延短；速率低；免執(zhí)照頻段；安全性強(qiáng)。
2.2 ZigBee技術(shù)在智能家居建筑中的性能
第一，可靠穩(wěn)定。ZigBee在物理層采用了通信中的擴(kuò)頻技術(shù)，抵抗其他信號的干擾。MAC應(yīng)用層具備應(yīng)答重傳的特殊功能和CSMA機(jī)制，它在節(jié)點(diǎn)發(fā)送之前先進(jìn)行掃描，并且監(jiān)聽信道，達(dá)到了避開不良干擾的效果，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)因受到其他信號的干擾而使相關(guān)受干擾信道無法正常工作時，網(wǎng)絡(luò)會自動動態(tài)的切換到其他工作信道上，是可靠穩(wěn)定的建筑智能化中不可或缺的通信技術(shù)。第二，ZigBee節(jié)能性高。能耗特性是ZigBee協(xié)議的一個顯著技術(shù)優(yōu)勢，一般來講基于ZigBee技術(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸速率較低，當(dāng)不需進(jìn)行智能控制通信時，ZigBee節(jié)點(diǎn)也不工作，其處在休眠狀態(tài)，它的節(jié)能性展現(xiàn)出來，此時耗能僅有正常完全工作狀態(tài)下的千分之一。在大多數(shù)情況下，節(jié)點(diǎn)的休眠狀態(tài)時間占了總時間的大部分，因此，達(dá)到很強(qiáng)的節(jié)能效果。
3 基于ZigBee協(xié)議的組網(wǎng)技術(shù)
有三種功能設(shè)備的應(yīng)用是基于ZigBee技術(shù)：一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。二是網(wǎng)絡(luò)路由器。三是網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。前兩種屬于全功能設(shè)備（即FFD），后面一種則屬于簡化功能設(shè)備（即RFD）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和樹型網(wǎng)。它們都需要至少一個全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)通信。ZigBee運(yùn)用了動態(tài)和自主的路由協(xié)議，它基于AODV路由技術(shù)，其終端節(jié)點(diǎn)從不執(zhí)行任何路由協(xié)議。終端節(jié)點(diǎn)若要向任意一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，設(shè)備向其父設(shè)備發(fā)送加入請求，經(jīng)過父節(jié)點(diǎn)的同意后以自己的名義完成執(zhí)行路由。不論哪個設(shè)備給終端節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)的上層父節(jié)點(diǎn)都以其自己名義回應(yīng)。
4 ZigBee系列智能化家居產(chǎn)品類型
一是ZigBee遙控器。它的作用是控制對過碼的設(shè)備，且實(shí)時顯示設(shè)備狀態(tài)。采用基于IEEE 802.15.42.4GHzRFMCU及ZigBee 2007/Pro協(xié)議棧，它利用ZigBee技術(shù)紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，對智能窗簾、智能開關(guān)和網(wǎng)絡(luò)插座等予以控制，并有效控制家用電器設(shè)備和實(shí)時查詢聯(lián)網(wǎng)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，其利用觸摸按鍵控制音量、調(diào)光和震動喚醒；遙控器基本功能包括：支持燈光照明單開單關(guān)；支持窗簾單開單關(guān)；控制過程狀態(tài)顯示；觸摸對碼和家用其他設(shè)備控制；機(jī)械滑動鍵調(diào)光及音量調(diào)節(jié)。二是ZigBee紅外轉(zhuǎn)發(fā)器。它接收網(wǎng)關(guān)命令或者遙控器信號，把ZigBee無線信號與其紅外信號連接起來，完成無線信號到紅外信號的順利轉(zhuǎn)發(fā)，所以可利用無線網(wǎng)絡(luò)對家電等設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線控制；應(yīng)該注意的是：在使用之前需要和網(wǎng)關(guān)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對碼。三是ZigBee智能開關(guān)。它的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡易、無線自動組網(wǎng)、性價比高、實(shí)現(xiàn)雙向通訊和維護(hù)方便；操作前需要注意的是智能開關(guān)應(yīng)先與網(wǎng)關(guān)遙控器等進(jìn)行單控且執(zhí)行情景對碼操作，并存儲情景對碼信息。四是無線窗簾智能控制器。它是一款基于ZigBee技術(shù)的家居智能產(chǎn)品，通過無線窗簾控制器達(dá)到控制窗簾閉合的目的，窗簾狀態(tài)反饋信號也通過控制器傳輸，實(shí)現(xiàn)雙向智能化。五是智能插座。其內(nèi)部硬件一般由功率繼電器、ZigBee控制模塊、微型開關(guān)電源等組成，若要進(jìn)行遠(yuǎn)程異地控制，它還需要一個專門的ZigBee網(wǎng)關(guān)來聯(lián)通外網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能控制。
5 結(jié)語
綜上所述，ZigBee技術(shù)所具備的基本優(yōu)點(diǎn)和性能滿足了現(xiàn)代智能家居對通信方面的要求，它更具備自組織和自愈能力，它是智能家居系統(tǒng)理想的最通信方式。由最新的ARM9嵌入式系統(tǒng)、手機(jī)模塊及ZigBee模塊組成了智能家居控制器硬件；家庭網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，組成的整個系統(tǒng)功能完善，能夠適應(yīng)以后智能家居發(fā)展的需要。ZigBee技術(shù)已成為智能家居建筑中一種非常重要的技術(shù)，它在該領(lǐng)域必將得到大規(guī)模應(yīng)用和推廣。
參考文獻(xiàn)
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zigbee協(xié)議范文6
關(guān)鍵詞:ZigBee CAN 工業(yè)控制 現(xiàn)場總線
中圖分類號:TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)05(a)-0026-01
隨著工業(yè)控制的發(fā)展,工業(yè)自動化已經(jīng)滲透到工業(yè)控制的各個角落,同時在控制過程中,對實(shí)時獲取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),以及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)接口的開放性、標(biāo)準(zhǔn)性,數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性等要求進(jìn)一步提高,控制節(jié)點(diǎn)的有線控制網(wǎng)絡(luò)的局限性也就越來越突出了。隨著無線技術(shù)進(jìn)一步為公眾所接收,其應(yīng)用的范圍也在日益擴(kuò)大,尤其在工業(yè)過程控制領(lǐng)域,由于無線技術(shù)的應(yīng)用,解決了有線技術(shù)由于投資成本及環(huán)境限制未能實(shí)現(xiàn)的功能,提升了過程控制精度,為工廠管理帶來極大的方便。ZigBee是在2004年12月,由ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4低速無線網(wǎng)協(xié)議基礎(chǔ)上提出的。該標(biāo)準(zhǔn)下的短程無線網(wǎng)技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)靈活、電池壽命長等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)控制領(lǐng)域中有著深厚的發(fā)展?jié)摿ΑAN(Controller Area Network)總線是ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議,其高性能和可靠性已被認(rèn)同,并在工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面廣泛應(yīng)用。
1 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢
1.1 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee標(biāo)準(zhǔn)包括IEEE 802.15.4協(xié)議制定的物理層(PHY)和介質(zhì)訪問層(MAC)標(biāo)準(zhǔn),以及在這之上由ZigBee聯(lián)盟制定的網(wǎng)絡(luò)層和部分應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn),它的技術(shù)特點(diǎn)主要包括:低功耗:在低耗電待機(jī)模式下,兩節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月,甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。而藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WIFI可以工作數(shù)小時;低成本:通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼,而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價格大約為2美元;低速率:ZigBee工作在20kbps～250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求;近距離:傳輸范圍即相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離,一般介于10m～100m之間。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。
1.2 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢
在工業(yè)控制中,設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸要求高可靠性,以及工業(yè)運(yùn)用的實(shí)時性也要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性,同時,在運(yùn)用中也盡量要求設(shè)備組網(wǎng)能更加智能,更加靈活,以降低工業(yè)運(yùn)用成本。
傳輸可靠性:ZigBee協(xié)議符合七層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),在IEEE802.15.4定義的物理層和子層協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)上,繼續(xù)定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層,在應(yīng)用層中規(guī)范了應(yīng)用支持子層和設(shè)備對象。此外還有類似空閑信道評估(CCA)、鏈路質(zhì)量指示(LQI)等技術(shù)保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
實(shí)時性和組網(wǎng)靈活性:ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn);同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
2 CAN總線的特點(diǎn)及優(yōu)勢
2.1 CAN總線的特點(diǎn)
CAN總線協(xié)議是以國際標(biāo)準(zhǔn)組織的OSI開放系統(tǒng)的7層模型為參考的,并在該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上改為模型結(jié)構(gòu)僅為3層,即只保留了OSI的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層,這保證了節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡筒铄e。
CAN總線是兩線結(jié)構(gòu),即為差分形式的物理結(jié)構(gòu)。也就是說,CAN總線上使用“顯性”(邏輯0)和“隱性”(邏輯1)兩個互補(bǔ)值來表達(dá)邏輯。高速CAN總線最快數(shù)據(jù)傳輸速率能達(dá)1Mbps,此時有效通訊距離為40m,當(dāng)速率降為5kbps時,有效通訊距離能達(dá)10km。
2.2 CAN總線的應(yīng)用優(yōu)勢
CAN總線協(xié)議支持多主機(jī)的工作方式,即任意節(jié)點(diǎn)可以在任何情況下主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,這種方式將在工業(yè)控制中發(fā)揮巨大的靈活性,在協(xié)議層面上支持了控制現(xiàn)場的實(shí)時響應(yīng)能力。此外,CAN總線協(xié)議也有著良好的仲裁機(jī)制,該機(jī)制保證了既不損失報文又不損失時間。
3 ZigBee和CAN總線技術(shù)的應(yīng)用
在現(xiàn)代工業(yè)控制領(lǐng)域,對現(xiàn)場無線化的需求也進(jìn)一步加大,所以使用CAN總線技術(shù)和ZigBee技術(shù)的結(jié)合,運(yùn)用到一定范圍內(nèi)的工業(yè)控制現(xiàn)場,是一個很好的方式。
網(wǎng)關(guān)主要由CAN收發(fā)器、CAN控制器、ZigBee模塊以及負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換的控制器組成。CAN收發(fā)器和CAN控制器分別采用TJA1050T和MCP2515等芯片,可以滿足大部分現(xiàn)場要求。ZigBee控制芯片采用德州儀器(TI)的CC2430,該芯片結(jié)合了一個高性能的2.4GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和一個高效的8051控制器,在保證有效運(yùn)用的基礎(chǔ)上可以很好的實(shí)現(xiàn)低成本和低功耗。由于CAN總線與ZigBee通訊的傳輸速率和傳輸方式不盡相同,所以為保證兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫?也為保障系統(tǒng)的穩(wěn)定性,一般使用譬如高速SPI等高速協(xié)議作為轉(zhuǎn)換控制器。
4 結(jié)語
在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場對ZigBee和CAN總線技術(shù)的搭配運(yùn)用中,體現(xiàn)了很好的靈活性,也大大降低了工業(yè)控制現(xiàn)場的管理成本,同時也提升了控制的效能。同時也可以看到,在該方法的基礎(chǔ)上,為了能適應(yīng)更多的控制場合,可以在總線技術(shù)上作靈活替換,以得到實(shí)現(xiàn)成本與控制效能的最佳結(jié)合點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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