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利用Zigbee技术构建无线传感器网络

导读: 通过对新型、开放的无线互联技术Zigbee 技术的分析;结合传感器技术、Zigbee、IEEE1451. 2 技术、路由协议,构建了一种无线传感器网络。

  摘 要:通过对新型、开放的无线互联技术Zigbee 技术的分析;结合传感器技术、Zigbee、IEEE1451. 2 技术、路由协议,构建了一种无线传感器网络。 分析讨论了基于“ 燃气表数据无线传输系统”的无线传感器结构和无线传感器网络的实现。

  随着MEMS 技术和无线通讯技术、传感器技术的发展,无线传感器网络在军事、生产、生活、医疗、科研中有了更广泛的应用范围。 就其功能而言,可以把它分成智能传感器部分和无线通讯部分。 智能传感器部分可根据具体情况由不同的硬件组成,同时IEEE 组织提出了IEEE1451. 2 的智能传感器接口协议。 无线通讯部分实现的方法,不外乎利用已有的IEEE 802.11D、IEEE802. 15. 1(蓝牙)、IEEE802. 15. 4(Zigbee)等无线通讯技术;其中IEEE802. 11D 相对于其它2 个标准来说,主要用于海量数据、高带宽传输,但不太适合传感器数据的传输。 Zigbee 和蓝牙相比最大的不同在于:1)极低的功耗,使用寿命和整个传感器一样长,无需更换电池;2)灵活的组网方式,可直接组成各种网络拓扑形式;3)传感器器件不和网络通信时,处于休眠状态,通信前须将其唤醒。 所以Zigbee 是一种低成本、低功耗、低复杂度的无线技术,Zigbee 技术相对于蓝牙更适合构建无线传感器网络。

  1 Zigbee 技术及其优势

  1.1 Zigbee 技术概述

  Zigbee ProtocoI Stack 体系结构如图1所示,它主要有5 层体系组成。 由Zigbee 联盟与IEEE 802. 15.4 的任务小组来共同担任标准的制定。 其中物理层、MAC 层标准主要由IEEE802. 15. 4 的任务小组完成。

  而数据链路接层,以及传输过程中的网络层、还有与用户的接口是由Zigbee 联盟主导。

  图1 Zigbee 的体系结构。

  图1 Zigbee 的体系结构。

  Zigbee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。 Zigbee 的PHY 层中接取方式是采用直接序列扩展频率技术(Direct Seguence Spread Spectrum),它存在如下优点:1)扩频信号具有好的隐蔽性。扩频信号的频谱被扩散到很宽的频带内,相对而言,其功率谱密度也随之降低(可明显低于环境噪声和干扰电平),难以检测,因而扩频信号具有隐蔽性。 2)扩频信号具有保密性。 扩频信号受特定伪随机序列控制,接受者如不能按此伪随机序列的规律进行解扩,就不能恢复消耗中传送的信息,因而扩频信号具有保密性。3)扩频信号具有很强的抗干扰性。 4)提高系统容量。

  在扩频系统中,由于使用多个伪随机序列作为不同用户的地址码,这样可以共用一个频段来实现码分多址,这样可以共用一个频段来实现码分多址通讯。 同时IEEE802. l5. 4 协议中定义了2 种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。 对全功能器件,要求它支持所有的49 个基本参数,仅为蓝牙的1 / 3. 而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持3S 个基本参数。 一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通讯,有3 种工作方式,即用作网络协调器、协调器或器件。 而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。 IEEES02. 15. 4 协议提供了3种数据传输方式:直接数据传输、间接数据传输、有保证时隙(GTS)数据传输。

  1. 2 Zigbee 技术的主要优点

  1)省电。 由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式,Zigbee 技术可以确保2 节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的使用时间,当然不同的应用功耗是不同的。

  2)可靠。 采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

  3)成本低。 模块的初始成本估计在6 美元左右,很快就能降到1. 5 美元到2. 5 美元之间,且Zigbee 协议是免专利费的。

  4)时延短。 针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 设备搜索时延典型值为30 ms,休眠激活时延典型值是15 ms,活动设备信道接入时延为15 ms.

  5)网络容量大。 一个ZigBee 网络可以容纳最多254 个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee 网络。

  6)安全。 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES - 12S,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

  由于无线传感器网络本身要求节点密集、节能、方便路由等技术特点,可以看出应用ZigBee 技术作无线传感器节点的无线通讯是可能的。

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