浅论基于Zigbee技术的家庭无线传感网络应用研究
论文摘要:针对基于Zigbee技术的智能家居无线系统的相关技术进行研究，分析了Zigbee体系结构和网络拓扑结构。
论文关键词:Zigbee 无线传感器网络
1、引言
智能家居系统可以理解为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息平台将与家居生活有关的各种通讯设备、家用电器和家庭保安装置经由家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，从而形成一个有机的整体(数字家庭网络系统)，进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅的和谐与协调。而无线择。智能家居系统的数据吞吐量要求很低，同时要求低功耗、低，于是在这样的背景下一种基于IEEE802.15.4标准的短距离无线网络协议的Zigbee技术出现了，它真正实现了宽带网络家庭的延伸拓展，使家庭组网更加便捷。
2、Zigbee技术介绍
Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌人各种设备。Zigbee技术有如下几点优势:
(1)成本低，Zigbee技术是免协议专利费的，而且每块芯片的价格大约为2美元左右;(2)低功耗，在低耗电待机模式下，两节五号干电池可支持1个节点工作半年至两年时间甚至更长;)
(3)低速率，Zigbee工作在20一250kbps的较低速率，在不同频带间分别提供250kbps(2.4GHz),40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求;
(4)近距离，其传输范围一般介于10一100m之间，在增加射频(RF)发射功率后，亦可增加到1一3km;
(5)短时延，Zigbee的.响应速度较快，一般从睡眠转人工作状态只需15ms，节点连接进人网络只需30ms，进一步节省了电能;
(6)大容量，Zigbee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网;(7)安全性能好，Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接人控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性.
基于上述特点可看出Zigbee主要应用于短距离范围内并且数据传输速率不高的各种设备之间，其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器数据)、间歇性数据(如照明控制)和重复性低反应时间数据等。因此Zigbee技术十分适合应用于智能家居系统之中。
3、Zigbee体系结构
Zigbee技术是建立在工EEE802.15.4标准之上的，IEEE802.15.4标准满足了ISO(国际标准化组织)OSI(开放系统互连)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的层，IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS(业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型1的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用工EEE802.15.4的MAC层服务。IEEE802.15.4定义了2.4GHz物理层和868 / 915MHz物理层2个标准，它们都基于DSSS(直接序列扩频)，使用相同的物理层数据包格式，区别主要存在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率上。Zigbe。协议栈模型由应用层、网络层，介质接人控制子层和物理层组成，如图一所示。
4、Zigbee网络的构建
Zigbee采用的是自组网通信方式，那么何为自组网通信方式呢?举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个Zigbee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的Zigbee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新，这就是自组织网。该架构被称为无基础构架的无线局域网(Ad Hoe Wireless LAN)，这种架构对网络内部的设备数量不加限制，并可随时建起无线通信链路。例如，协调器一直处于监听状态，当一个新添加的RFD(简功能设备)被网络自动发现时，FFD(全功能设备)会把RFD的信息传送给协调器，由协调器进行编址，并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。
若新添加到网络的是FFD，则可直接把自身信息上报协调器，并对周围的RFD设备进行轮询，记录它们的地址信息，通知协调器更新路由，此时新加人的FFD起到了一个桥梁的作用，RFD通过FFD和协调器进行间接通讯。这种分层结构，便于管理，增加了网络的透明度，有利于发现并自动添加新人网设备。在Zigbee网络中，所有设备均有一个64bit的工EEE地址，可以分配一个166i七的本地地址减小数据包的大小。地址模式有两种:星型拓扑:网络号十设备标识;点对点:直接使用源/目的地址。协调器将参与地址的分配和记录工作，在建立和启动网络过程中，设置惟一的网络标识符以及每个节点都包含一个唯一的6468IEEE MAC地址。这样做是基于保护个人隐私考虑的，保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。为了避免Zigbee的接人竞争，Zigbee通过MAC层提供保证的时隙，但只作为一种可选的“超帧”(Super Frame)的组成部分提供，但是，如果Zigbee节点试图避免传送的信号与其它节点或其它无线电源的信号相重叠，则Zigbee节点会消耗额外的能量，它们必须在发送信号之前侦听空中是否还有其它信号在传送。
Zigbee网络常见的有两种拓扑结构，即星型拓扑和网状网拓扑，其中网状网通信应用的较为普遍也十分实用，网状网通信实际上就是多通道通信。在应用现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对现场控制而言非常重要。而在Zigbee技术中采用了动态路由的方式，所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题从而保证数据的可靠传输。
5、结束语
Zigbee技术与智能家居系统的的结合有着广泛的应用前景，本文主要探讨了基于该技术的家庭无线传感器网络构建与应用。这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不远的将来，会有越来越多由Zigbee技术延伸而出的设备投人应用，并将极大地改善我们的生活方式。
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