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基于ZigBee无线传感器网络构建与应用

资料介绍

引言
   无线网络的市场发展在逻辑上可分为而向语音的市场和面向数据的市场两类。在许多以数据传输为主的无线网络中,小型、低成本、低复杂度的无线网络的应用场合十分广泛。ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术,其网络标准由IEEE 802.15.4规定。ZigBee协议比蓝牙、高速率PAN(个人局域网)或者IEEE 802.11x无线局域网更加简单实用。 
1. IEEE 802.15.4标准和ZigBee技术
IEEE的无线PAN工作组制定的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础,目的是为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10 m左右的低速连接。
 1.1 IEEE 802.15.4协议架构及其技术特点
   IEEE 802.15.4满足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(媒体访问控制)层和多样的物理层,如图1所示。


   IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4的MAC层服务。
  IEEE 802.15.4定义了2.4 GHz物理层和868/915 MHz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,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。915/868 MHz频段是基于差分编码的BPSK(二进制相移键控),2.4 GHz频段采用十六进制正交调制。2.4 CHz频段共有16个不同的信道为全球统一的无需申请的ISM(工业、科学、医疗)频段,采用高阶调制技术能提供250 kbit/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更省电。868 MHz是欧洲的ISM频段,只有1个信道,915 MHz是美国的ISM频段,有10个信道,引入这2个频段避免了2.4 GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868 MHz传输速率为20 kbit/s,916 MHz传输速率为40 kbit/s。这2个频段上无线信号传播损耗较小,因此可降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
  


1.2 ZigBee技术
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。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。
ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,如图2所示。


  a) 物理层:遵循IEEE 802.15.4协议,是协议的最底层,承担着与外界直接作用的任务,控制RF收发器工作,采用扩频通信,信号传输距离为室内50 m,室外150 m。
  b) MAC层:遵循IEEE 802.15.4协议,负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束,确认模式的数据传送和接收,可选时隙,实现低延迟传输,支持各种网络拓扑结构,网络中每个设备为16位地址寻址。
  c) 网络层:建立新的网络,处理节点的进入和离开网络,根据网络类型设置节点的协议堆栈,使网络协调器对节点分配地址,保证节点之间的同步,提供网络的路由,保证数据的完整性,使用可选的AES-128对通信加密。
  d) 应用层:应用支持层维持器件的功能属性,发现该器件工作空间中其他器件的工作,根据服务和需求使多个器件之间进行通信,根据具体应用由用户开发。

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基于ZigBee无线传感器网络构建与应用
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