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zigbee协议范文1
关键词：无线传感器网络；zigbee技术；协议栈；物理层；数据链路层
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4220-03
Zigbee为一种标准化的无线通信技术，以满足无线传感器网络低成本、低功耗的需要[1]。它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要应用于短距离的无线连接。Zigbee作为新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动低速率个人区域网络的发展。它以灵活、机动的组网方式，使用CSMA/CA信道接入机制，以及数据确认和加密机制，网状多路径数据传输，使得Zigbee技术自正式推出以后，就得到科学和商业的广泛关注[6-7]。正如Zigbee联盟主席所说，Zigbee技术是无线传感器网络最好的选择[2-3]。
Zigbee协议栈与传统的计算机体系结构一样，通过层来量化它的各个简化标准，每层负责执行该层特定的功能，同时为上层提供服务。其协议栈体系结构如图1所示：物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）由IEEE802.15.4[4-5]协议标准提供。IEEE802.15.4标准致力于提供一种低复杂度、低成本、低功耗和低速率的无线通信技术，对信道选择、能量检测、链路质量、清除信道评估（CCA）、信标管理、信道接入、时隙管理、发送连接与断开连接等进行了规范。IEEE802.15.4标准定义了两种网络设备：精简功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。FFD具有路由能力，在点对点拓扑网络中可与任意节点进行通信；RFD功能有限，不管在何种网络拓扑结构中只能与其父节点FFD设备进行通信。网络层与应用框架层由Zigbee联盟制定，对网络建立、设备的连接与断开、帧安全机制，设备对象等进行了规范。Zigbee标准在IEEE802.15.4标准的基础上定义了三种网络设备：协调器设备（ZC）、路由器设备（ZR）和终端设备（ZED）。应用框架层为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型，用户可根据自己的应用需求来开发应用。各层协议标准的特性将在后面章节详细介绍。
1 物理层概述
IEEE802.15.4标准详细说明了使用的无线频段、物理层和MAC层。针对不同的国际和地区，Zigbee技术允许其使用不同的工作频率。IEEE801.15.4工作在3个不同的ISM频段：2.4GHz（全球通用频段）和868/915MHz。3个频段共规范了27个物理信道，其中2.4GHz频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个频段。对于各个国家和地区采用的工作频率范围的不同，为提供数据的传输速率，IEEE802.15.4标准针对不同的频率范围规定了不同的调制方式。因而在不同的频率段中，其数据传输速率不同，具体调制方式和传输速率如表1所示。
Zigbee技术对发射功率也进行严格的规范，遵照不同国家和地区制定了不同的最大发射功率，发射功率范围为0～10dBm，其通信距离为10～300m。在误码率小于1%的条件下，Zigbee的接收灵敏度为-85dBm。为适应低速率、低功耗的无线通信传输，IEEE802.15.4标准物理层定义了适用于3个频段的通用规范，包括以下三类：
1）接收机能量检测（ED，energy detection）：EQ用来评估信道带宽内接收机的信号能量，其检测结果以8个比特的整数来表示，通过物理层原语PLME-ED.confirm向媒体访问控制层的管理实体报告所检测的结果。
2）链路服务质量（LQI，Link quality indicator）。LQI用来评估接收机所接收的数据包强度和品质，其数值用一个8比特的整数来表示，其值的大小表示链路质量的高低，并通过物理层原语PD-DATAA.indication发送给媒体访问控制层。
3）清除信道评估（CCA，Clear channel assessment）。IEEE802.15.4标准的物理层协议规范了3种清除信道评估模式。
① 清除信道评估模式1：若通过能量检测，其信道能量大于阈值能量时，则返回忙的信息。
② 清除信道评估模式2：载波判断，当清除信道评估检测到一个扩展的调制信号时，给出一个忙的信息。其中这个信息可能高于或低于能量检测门限值。
③ 清除信道评估模式3：当清除信道评估检测到一个扩展信号时，且扩展信号携带的能量大于阈值能量，则返回忙的信息。
对于以上任意一种清除信道评估模式，如果物理层正在接收数据时，若收到PLME-CCA请求原语，清除信道评估也会返回忙的信息。当检测到信道忙时，物理层用PLME-CCA.confirm原语向媒体访问控制层发送一个具有BUSY状态的信息，当检测信道空闲时，发送一个具有IDLE状态的信息到媒体访问控制层。
2 媒体访问控制层（MAC）
2.1 MAC层概述
在IEEE802.15.4标准中，给出了MAC协议的规范，以便于接入物理层无线信道。MAC层数据服务为物理层与网络层之间的数据传输提供一个接口，以实现数据发送、接收和处理排列中清除一个MAC层服务数据单元。MAC层管理服务允许上层与MAC层管理实体之间传输管理指令，其主要功能为设备通信链路的连接和断开管理、信标管理、个域网信息库管理、孤点管理、复位管理、接收管理、信道扫描管理、通信状态管理、设备的状态管理、启动、网络同步、轮询管理等。
2.2 信道扫描
所有设备都必须能够对所规定的一系列信道进行被动和孤点扫描，同时FFD还具有能进行能量检测和主动扫描。在FFD作为个域网协调器前，首先进行能量检测或主动扫描，或者在选择与一个个域网建立连接前，执行主动或被动扫描；设备通过孤点扫描来锁定失去连接的父节点。对于RFD可选择能量检测扫描或主动扫描来选择合适的信道连接网络。
1）ED信道扫描
通过一次扫描各个信道，设备节点可以得到各个信道的峰值能量。通过这个信息，设备节点可以选择合适出信道，以接入到网络。对每一个逻辑信道，MAC层管理实体设置相应的信道序列号，且切换到相应的信道，在[aBaseSuperframeDuration×（2n+1）]个符号周期内重复地对该信道进行能量检测（其中n为扫描参数值0-14之间），在此期间内所得到的最大能量检测值。其中设备能够存储1到信道能量检测最大值之间的数值。
2）被动信道扫描
设备在选择与一个个域网建立连接之前，可以执行被动扫描。与主动扫描类似，它允许设备锁定它所在的个域网中任何发送信标的协调器。在PAN描述器的最大值或已经扫描所有信道后，扫描结束。
3）孤立信道扫描
对每一个逻辑信道，设备首先设置当前信道值，且切换到相应的信道，然后发送一个孤立通告命令；这时接收机处于工作状态，接收时间最多为aResponseWaitTime个符号周期，在等待时间内接收协调器重新连接命令，设备关闭接收机。当设备受到重新连接命令或者已经扫描过所有规范的逻辑信道后，孤立信达扫描结束。
2.3 MAC层帧结构
MAC层帧结构由三个部分组成：MAC层帧头、可变长MAC载荷和帧尾。帧控制域包括帧类型的定义、地址子域与其他控制信息，定义帧的类型、格式等。在地址域中，存在着两种地址：64位的IEEE MAC地址和16位的Zigbee网络地址，在数据传输过程中，可以采用任意一种寻址方式。帧载荷域的长度可变，不同帧类型所包含的不同的信息。在IEEE802.15.4标准中，给出了4种帧的定义：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。信标帧和数据帧包含高层信息，而确认帧和命令帧由MAC层产生。
3 结论
Zigbee技术为一Zigbee为一种标准化的、能满足无线传感器网络低成本、低功耗需要的无线通信技术。该文对Zigbee协议栈中的相关信息做了详细的介绍。首先介绍了Zigbee协议栈的整体结构，从物理层到应用层，逐一分析了Zigbee标准各层的特点。重点介绍了Zigbee标准的频段和通用规范、信道扫描的分类和帧结构。
参考文献：
[1] Zigbee Standards Organization. Zigbee Specification V1.0：Zigbee Specification [S].2005.
[2] 李腊元，李春林.计算机网络技术[M].北京：国防工业出版社，2004.
[3] 任丰原，黄海宁，林闯.无线传感器网络[J].软件学报，2003，14（7）：1282-1291.
[4] IEEE. Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Netwrok[S]. IEEE Standards 802.15.4-2003， 2003.
[5] IEEE. Wireless Medium Access Control （MAC） and Physical Layer（PHY） Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Netwrok[S]. IEEE Standards 802.15.4-2003， 2006.
zigbee协议范文2
关键词：无线传感器网络；ZigBee协议；多跳；协调器；路由器；终端设备
中图分类号：TP79
无线传感器网络（WSN，WirelessSensorNetwork）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，它综合了无线通信技术，传感器技术，微机电技术，计算机网络技术等多学科的技术领域，借助各类传感器对检测目标进行数据采集，通过无线通信的方式把信息发送给观测者。由于无线传感器网络具有不依赖有线基础设施，可以自组网和允许网络具有动态的拓扑结构等优点，特别适用于一些不适合人类直接参与的检测环境进行数据采集，因此无线传感器网络在军事、空间探索和灾难拯救等特殊领域有其得天独厚的技术优势，在环境、健康、家庭和其他商业领域有广阔的应用前景。
1 ZigBee协议
ZigBee协议是一种建立在IEEE802.15.4标准之上的短距离，低速率的无线通信协议，其中物理层和链路层由IEEE802.15.定义，网络层和应用层由ZigBee联盟规范。与其他短距离无线通信技术相比，ZigBee协议具有以下优点：（1）功耗低。低功耗待机模式下，两节5号电池就可以是由6个月以上。（2）具有3个无线收发器频段。868MHZ（欧盟）；902MHZ（美国）；2.4GHZ。（3）网络容量大。可支持6500个节点设备。（4）采用CSMA-CA机制，有效的避免了数据发送时因碰撞产生的冲突。（5）网络安全性高。采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据进行了加密算法，有效的保证了数据传输的有效性和安全性。
2 系统硬件设计
无线传感器网络节点的组成一般都由传感器模块、处理模块、无线通信模块和能量供应模块这四部分构成：（1）传感器模块。本设计中传感器采用数字湿度温度传感器SHT10，SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全量程标定的数字输出。产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器品质卓越、响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。每个传感器芯片都在极为精确的恒温室中进行标定。通过两线制的串行接口与内部的电压调整，使系统集成变得快速而简单。（2）处理模块。处理器单元采用ATMEL公司的ATmega128L芯片。ATmega128L为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。它具有非常丰富的资源，具有片内128K字节的程序存储器（Flash），4K字节的数据存储器（SRAM，可外扩到64K）和4K字节的EEPROM。由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。（3）无线通信模块。无线通信单元采用Chipcon公司的CC2420射频芯片。是ChipconAs公司推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。只需极少外部元器件，性能稳定，功耗极低。（4）能量供应模块。能量供应模块主要是电池来实现，目前常用的传感器电池有两种，一种是常用可充电电池，如可充电锂钮扣电池LIR2450，该类电池具有电压高、平均电压为3.6伏，充放电循环特性优秀，但是由于其额定容量小，而且许多传感器都会放在一些特殊的环境中，再次充电的可能性很小，从而减少了网络的生命周期；如果是在一些允许的环境中采集数据，常采用两节普通的5号AA电池，则可以维持更长的网络生命周期。
3 软件设计
Zigbee协议定义了三种设备类型：（1）协调器程序设计。每个ZigBee网络都必须包含一台协调器。协调器的主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数。（2）路由器程序设计。本程序设计的路由器就有两部分组成，一个是路由器入网程序流程图，另一个是路由程序流程图。（3）终端设备程序设计。终端设备不参与路由选择，由于路由器和终端设备被整合到网络之中，所以它们从协调器或从任何已经处于网络中的路由器那里可以获得有关网络的信息。这些信息可以让其他设备设置操作参数，并因此加入网络之中。
图1 协调器程序
图2 路由器程序流程图
4 实验调试结果
按照上述设计组建网络后，把对应的程序烧录到协调器节点，路由器节点和终端设备节点。等待终端设备节点传感器数据采集完成后，数据发送到路由器节点，并由路由器节点发送给协调器节点，最终传送到计算机，在串口调试助手中可以看到如下的提示信息：
其中阴影部分为采集到的数据，表示收到长度为41的数据帧，发送数据的节点地址为0x1430，一共采集到了八组数据。说明所有节点通过自组织的方式，成功的组成了一个基于路由的多跳网络，并能够正确工作，达到了设计的目的。
5 结束语
无线传感器网络是资源受限网络，节点因受能源限制，其发射功率较低，因此网络中节点通信距离有限，节点只能与它的邻居直接通信。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过路由器节点进行路由，从而形成多跳网络，本文基于ZigBee协议，通过对无线传感器网络节点的硬件和软件设计来成功实现数据在无线传感器网络节点间的多跳路由。
参考文献：
[1]于海斌，曾鹏.智能无线传感器网络系统[M].北京：科学出版社，2006：40-50.
[2]顾瑞红，张宏科.基才ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用，2005，6：1-3.
zigbee协议范文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.
关键词:灭火救援 无线传感器网络 路由协议 ZigBee
Key words:coal mine heading face wireless sensor networks routing protocol ZigBee
引言
ZigBee技术以其低功耗、低复杂度、低成本、大容量、短时延等优越特性在无线通信领域异军突起,应用日趋广泛。在消防领域的灭火救援过程中,及时准确地获知消防人员的位置及状态信息是至关重要的。利用配带在救援人员的ZigBee无线模块,可组成一个全无线的消防报警网络,该网络兼有无线追踪定位功能,可通过建筑物内的无线传感器网络及消防人员随身携带的移动装置,动态掌握进入火灾现场的人员位置和状态。
灭火救援现场随机性强,人员相对位置的改变非常频繁,导致网络拓扑结构频繁改变,且结构复杂等特点。为此,本文针对基于ZigBee技术组建的现场无线网络通信系统,设计了一种能够适应灭火救援过程工作特点的无线传感器网络路由协议,可实现自动组网来覆盖所有设备能到达的区域。该路由协议的特点:多跳路由、自动组网,以满足不断变化的网络,解决上述问题。
一、无线传感器网络
以IEEE 802.15.4标准为基础的ZigBee无线传感器网络为第四代传感器网络。无线传感器网络由普通节点、中继节点、网关节点和监控中心组成,普通节点完成数据采集;中继节点实现多跳中继传输和数据汇聚接收;网关节点完成无线和有线信号转换;监控中心完成区域数据的综合处理。普通节点通过多跳中继方式将监测数据传给网关节点,最终通过有线方式将无线区域内的数据传送到远程监控中心进行集中处理。
二、无线传感器网络路由协议
路由协议负责将数据分组,从源节点通过网络转发到目的节点。它主要包括两个方面的功能:寻找源节点和目的节点的优化路径;将数据分组沿着优化路径正确转发。无线传感器网络节点能量有限,路由协议关心整个网络能量的均衡消耗以及能量的高效利用。因此,路由协议直接影响无线传感器网络的性能和寿命;另外,无线传感器网络具有很强的应用相关性,不同应用中的路由协议可能差别很大,没有一个通用的路由协议可以满足所有的应用,因此,需要根据具体应用研究最优的路由协议,当前流行的几个无线传感器网络的路由协议如下所述。
2.1洪泛协议
洪泛(Flooding)协议是一种传统的无线通信路由协议。该协议规定,每个节点接收来自其它节点的信息,并以广播的形式发送给其它邻居节点,如此继续下去,最后将信息数据发送给目的节点。但该协议容易引起信息的“内爆”(Implosion)和“重叠”(Overlap),造成资源的浪费。
2.2闲聊协议
闲聊(Gossiping)协议是在洪泛协议的基础上进行改进而提出的。它传播信息的途径是随机地选择一个邻居节点,获得信息的邻居节点以同样的方式随机地选择下一个节点进行信息的传递。该协议避免了以广播形式进行信息传播的能量消耗,代价是延长了信息的传递时间,虽然在一定程度上解决了信息的“内爆”问题,但是仍然存在信息的“重叠”现象。
2.3SPIN协议
SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation)协议是以数据为中心的自适应路由协议,通过协商机制来避免Flooding协议和Gossiping协议的“内爆”和“重叠”问题。无线传感器网络各节点只有在收到相应请求时才有目的地发送数据信息。SPIN协议有3种类型的消息,即ADV、REQ和DATA。在发送一个DATA数据包之前,一个传感器节点首先对外广播ADV数据包。如果某一个节点希望接收该数据信息,则向发送ADV数据包的节点回复REQ数据包,由此建立起发送节点和接收节点的联系,之后发送节点便向接收节点发送DATA数据包。SPIN协议的工作流程如图1所示。
图1SPIN协议的工作流程图
2.4定向扩散协议
定向扩散(Directed Diffusion)协议是一种基于查询的路由机制。整个过程可以分为兴趣扩散、梯度建立以及路径加强3个阶段。在兴趣扩散阶段,汇聚节点向传感器节点发送其想要获取的信息种类或内容。兴趣消息中含有任务类型、目标区域、数据发送速率、时间戳等参数。每个传感器节点在收到该信息后,将其保存在缓存(CACHE)中。当整个信息要求传遍整个无线传感器网络后,便在传感器节点和汇聚节点之间建立起一个梯度场,梯度场的建立以成本最小化和能量自适应为原则。一旦传感点感兴趣的数据,就会根据建立的梯度场寻求最快路径进行数据传递。梯度场建立过程如图2所示。
图2定向扩散协议的梯度场建立过程示意图
2.5LEACH协议
LEACH ( Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议是一种以最小化传感器网络能量损耗为目标的自适应分簇拓扑协议。它的执行过程是周期性的,每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段,相邻节点动态地形成簇,随机产生簇头;在数据通信阶段,簇内节点将数据发送给簇头,簇头进行数据融合并将结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合以及与汇聚节点进行通信等工作,所以能量消耗大。LEACH协议随机循环选择簇头,将能量负载平均分配到每个无线传感器网络节点中,进而可以延长网络的生命周期。LEACH协议可将网络生命周期延长15%。
对上面这些协议进行比较分析后得出,一个好的无线传感器网络路由协议应具备如下特征:具有动态的选择汇聚节点的能力、快速的数据融合技术、随机路径选择能力。
三、改进的无线传感器网络路由协议
在灭火救援过程实际应用中,从功能上将无线传感器网络节点分为无线主节点、无线路由节点、无线设备节点3种。救援人员的无线设备通过无线网络实现与无线主节点通信。无线传感器网络是一种能量有限的网络,如果网络中的某些节点能量消耗过快,会使节点在短时间内失效,从而导致有效传感区域变小,影响数据采集结果。如何有效减少并平衡网络中各个节点的能量消耗,从而使网络寿命最大化,是协议设计的关键问题之一。通过分析和实验,笔者将定向扩散协议和以最小化传感器网络能量损耗为目标的LEACH分簇拓扑协议有机结合,设计了适用于灭火救援工作过程的无线传感器网络路由协议。
3.1路由建立
本文的路由建立过程类似于定向扩散协议中的兴趣扩散、梯度建立过程,采用由顶至底的路由生成算法。首先由无线主节点对所有的无线路由器节点发“配置系统命令帧”,这是一种由顶至底的扩散寻呼请求。
(1)由无线主节点向下进行一次一跳地扩散寻呼请求,寻呼请求消息中包含有源节点和目标节点的ID号、消息编号、链路时钟值等。
(2)在寻呼请求消息扩散方向上,下游节点收到上游节点的请求后,修改链路时钟值,对自身ID号和目标节点ID号进行比较判断,如果相等则进入休眠状态直至回应周期时间到,然后发回答帧;如果不等则记录上游节点的位置信息,修改路由跳数等字段,继续向其邻近下游节点扩散路由请求,然后进入休眠状态直至回应周期时间到,然后自动唤醒进入准备接收状态。对于邻近下游节点,如果收到相同编号的消息,则简单地将后来的消息丢弃。
(3)当无线主节点收到所有无线路由节点的回答后,构造路由表。
(4)路由表建立之后,系统转入工作状态。在正常工作状态时,无线路由节点的生命周期直接影响到整个网络的生命周期。信息在传递的过程中,无线路由节点的使用频率最高,能量消耗最大,因此,必须平衡整个网络的无线路由节点的能量消耗,以延长无线网络的生命周期。本文将整个工作周期分为收集数据进程、上行传输进程、下行传输进程3个部分。收集数据进程结束后,网络进入上行传输进程,由节点坐标最低的无线路由节点开始发送数据帧,工作时间结束即进入休眠状态。
3.2路由维护
由于网络的无线设备节点是经常移动的,因此,网络的拓扑结构会随时发生变化,这就要求系统的路由维护是动态的。本文采用的算法是主机点名-重建路由算法,即在上行传输进程结束时,主机点名;当3次有未出现的无线设备节点时,定义为无线设备节点丢失,这时需检查修复无线设备节点。路由建立之后,为了在维持每条路由信息的同时减少对节点存储空间的需求,每个传感器节点仅对经过本节点的当前路由信息进行缓存。路由信息仅在节点上保存较短的时间,如果现存的路由信息得不到及时刷新,则该路由信息将被置为无效,并最终被清除。为了维护现存的路由,在一条路径上如果当前路由信息仍然有效,则每当有新的数据发送后,当前的路由信息就被及时刷新,这样可保证对突发通信实现连续的数据传输。
3.3路由恢复
路由恢复与路由维护所不同的是:无线路由节点会因为电源耗尽或受到物理损毁后失效,从而导致路由中断。为了尽快恢复节点间的通信能力,需要对路由进行修复。为了能够及时发现损坏的路由,路由协议需要具备有效的路由中断发现机制。传统的方法是使邻近节点之间定期发送Hello消息以探测邻近节点的状态,确定路由断点,从而修复路由。但是周期性的Hello消息会在网络中产生大量的流量,导致带宽和能量有限、通信不可靠的无线传感器网络在消耗大量能量的同时,性能急剧恶化。为了减少网络中的流量、节省节点能量,必须以尽可能少的消息恢复无线主节点和无线路由节点之间的路由。对此仍然采用主机点名-重建路由算法,重建路由时可以检测到损坏的无线路由节点,对其进行更换并重建路由。
zigbee协议范文4
【关键词】 无线传输 zigbee 飞思卡尔 集成电路
1 无线传输协议
提起无线传输技术，或许很多人会想到红外（irda）、想到调频（fm），甚至会想到gsm，cdma，bluetooth，这些都是无线技术发展的里程碑，是无线技术发展到成熟，结合实际应运而生的科技产物，并在各自的领域发挥着举足轻重的作用。
随着通信技术和计算机技术的飞速发展，对于短距离无线通信的需求越来越多，各大著名半导体厂商组成各种协议联盟，研发出多种应用于不同领域的短距离传输协议，比如用于超短距离传输大批量数据的uwb（（ultra wideband）），应用于非标准无线射频协议的ant，以及本文要介绍的，应用于低功耗、短距离传输的zigbee协议。
2 协议的发展
zigbee协议是由包括飞思卡尔半导体在内的zigbee联盟制定的无线通信标准，zigbee联盟成员包括飞思卡尔、摩托罗拉、三星等著名半导体厂商。 zigbee联盟的目的是为了在全球统一标准上实现简单可靠、价格低廉、功耗低、无线连接的监测和控制。
zigbee是基于ieee802.15.4标准的低功耗协议。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。zigbee技术也是依靠各个节点去传递信息，zigbee可以组建成大规模的网络，网络节点容量可多达65535个。表1总结了各种常见的协议的特点以及应用领域。从表中可以看到，zigbee的特点是传输距离短、复杂度低、低功耗、低数据速率、低成本、可以组成网络。主要适合用于自动控制和远程控制领域。（表1）
任何协议，任何产品都要有应用才有存在的价值，那么zigbee可以应用到那些领域呢？图1所示，如下场合适合zigbee技术：1）设备成本低、传输数据量小。2）设备体积小，不便放置较大的充电电池或者充电模块。3）没有充足的电源支持，只能使用一次性电池供电。4）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监控或控制。结合到具体的领域，如工业、农业的自动监测、控制；tv、dvd、cd等个人消费电子的无线遥控；家居自动化、安防、门禁；以及一些pc的外围设备，如鼠标、键盘；甚至于个人健康的监控、诊断等等。
3 飞思卡尔系列芯片
飞思卡尔半导体一直是业界的领军者。飞思卡尔的zigbee系列产品占全球销售排名第一。mc1319x代表的是第一代zigbee基本协议产品，兼容802.15.4协议。结合实际应用，飞思卡尔又研发了高集成度且低功耗的第二代系统级封装（sip）mc1321x系列产品，在同一个封装内集成了微控制器（mcu）和射频（rf）芯片，这样既减少了产品的尺寸，节省了成本，又也增加了系统的稳定性，增强了抗干扰能力。又相继研发了基于arm7的高度集中的mc1322x系列高端产品。
为满足不断增长的技术需求，飞思卡尔又为zigbee rf4ce消费电子产品推出了mc1323x片上系统（sop）系列产品。由于mc1323x系列具有独特的监测和监控功能组合，它非常适合一般市场应用，如远程控制、电视、机顶盒、便携式血压计、体重计和家用电器等。此外，飞思卡尔还为多个不同的硬件平台提供软件、参考设计以及开发工具箱，用于评估mc1323x片上系统，并允许开发人员选择最能满足他们需求的硬件和软件平台，更好更快的把飞思卡尔的zigbee产品应用到其研发产品中去。
4 zigbee的发展
未来zigbee将紧密结合物联网大概念方向趋势的发展，并在传输层界面上发挥着重要的的角色。在zigbee联盟的推动下，zigbee技术将朝着开发soc，更多规范，结合ipv6，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，zigbee也可以扩展到目前的智能手机领域，取代蓝牙、wifi用于短距离数据传输，具有低功耗、低成本的优势。相信随着技术的成熟，协议的改进，zigbee技术会有很好的应用前景。
参考文献：
[1]庸龙.无线技术后起之秀zigbee[n].计算机世界，2003年.
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资讯时报，2004年.
[3]马新涛.基于zigbee技术的无线网关设计[d].中国海洋大学，2010年.
zigbee协议范文5
关键词：ZigBee 电子产品 智能家居建筑 智能控制
中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0197-02
由于信息和网络技术日益进入人们的生活，人们正在追求生活细节的简单化，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“一键”式的简单生活操作。因此，智能家居等概念被很快推广，特别是各种新研究成果在智能家居控制中不断得到应用，ZigBee通信技术便是其中非常重要的一种。家庭中那些独立的家用电器利用ZigBee通信协议组成了一个统一完善的系统，在此基础上利用现代互联网技术对家用电器等设备进行远程开关调节控制，从而便捷地对各种家用电器电子设备实现了最终操作。
1 ZigBee技术概述
ZigBee属于一种局域网通信协议，它基IEEE 802.15.4的标准。ZigBee又叫做紫蜂协议，它源自蜜蜂特有的八字舞，蜜蜂（即bee）之间传递花粉所在位置地址信息是靠飞翔和“嗡嗡”（即zig）地摆动翅膀的“舞蹈”动作实现的，这样便构成了蜜蜂群体中的通信网络。ZigBee是一种价格低距离短功耗少的无线网络技术。ZigBee协议由下至上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层和应用层。智能家居中的各种照明、抄表系统、安防系统、传感器、门禁系统和其他信号传输的数据量还是比较小的，没有必要采用具备过大传输速率的通信协议，只要求可靠性强、容量大、低功耗、实时性和自组织性强。综合上述要求及相关特点，ZigBee技术是满足智能家居控制最合适的选择。
2 ZigBee通信协议的特点与性能
2.1 ZigBee通信协议的特点
功耗较低；容量大；距离短；成本较低；时延短；速率低；免执照频段；安全性强。
2.2 ZigBee技术在智能家居建筑中的性能
第一，可靠稳定。ZigBee在物理层采用了通信中的扩频技术，抵抗其他信号的干扰。MAC应用层具备应答重传的特殊功能和CSMA机制，它在节点发送之前先进行扫描，并且监听信道，达到了避开不良干扰的效果，当ZigBee网络因受到其他信号的干扰而使相关受干扰信道无法正常工作时，网络会自动动态的切换到其他工作信道上，是可靠稳定的建筑智能化中不可或缺的通信技术。第二，ZigBee节能性高。能耗特性是ZigBee协议的一个显著技术优势，一般来讲基于ZigBee技术的应用数据传输速率较低，当不需进行智能控制通信时，ZigBee节点也不工作，其处在休眠状态，它的节能性展现出来，此时耗能仅有正常完全工作状态下的千分之一。在大多数情况下，节点的休眠状态时间占了总时间的大部分，因此，达到很强的节能效果。
3 基于ZigBee协议的组网技术
有三种功能设备的应用是基于ZigBee技术：一是网络协调器。二是网络路由器。三是网络终端设备。前两种属于全功能设备（即FFD），后面一种则属于简化功能设备（即RFD）。ZigBee网络有三种网络拓扑结构，即星型网、网状网和树型网。它们都需要至少一个全功能设备作为网络协调器实现通信。ZigBee运用了动态和自主的路由协议，它基于AODV路由技术，其终端节点从不执行任何路由协议。终端节点若要向任意一个设备传输数据，设备向其父设备发送加入请求，经过父节点的同意后以自己的名义完成执行路由。不论哪个设备给终端节点传送数据，终端节点的上层父节点都以其自己名义回应。
4 ZigBee系列智能化家居产品类型
一是ZigBee遥控器。它的作用是控制对过码的设备，且实时显示设备状态。采用基于IEEE 802.15.42.4GHzRFMCU及ZigBee 2007/Pro协议栈，它利用ZigBee技术红外转发器，对智能窗帘、智能开关和网络插座等予以控制，并有效控制家用电器设备和实时查询联网设备当前状态，其利用触摸按键控制音量、调光和震动唤醒；遥控器基本功能包括：支持灯光照明单开单关；支持窗帘单开单关；控制过程状态显示；触摸对码和家用其他设备控制；机械滑动键调光及音量调节。二是ZigBee红外转发器。它接收网关命令或者遥控器信号，把ZigBee无线信号与其红外信号连接起来，完成无线信号到红外信号的顺利转发，所以可利用无线网络对家电等设备实现无线控制；应该注意的是：在使用之前需要和网关等设备实现对码。三是ZigBee智能开关。它的优点是安装简易、无线自动组网、性价比高、实现双向通讯和维护方便；操作前需要注意的是智能开关应先与网关遥控器等进行单控且执行情景对码操作，并存储情景对码信息。四是无线窗帘智能控制器。它是一款基于ZigBee技术的家居智能产品，通过无线窗帘控制器达到控制窗帘闭合的目的，窗帘状态反馈信号也通过控制器传输，实现双向智能化。五是智能插座。其内部硬件一般由功率继电器、ZigBee控制模块、微型开关电源等组成，若要进行远程异地控制，它还需要一个专门的ZigBee网关来联通外网，实现真正意义上的智能控制。
5 结语
综上所述，ZigBee技术所具备的基本优点和性能满足了现代智能家居对通信方面的要求，它更具备自组织和自愈能力，它是智能家居系统理想的最通信方式。由最新的ARM9嵌入式系统、手机模块及ZigBee模块组成了智能家居控制器硬件；家庭网络采用ZigBee无线网络，组成的整个系统功能完善，能够适应以后智能家居发展的需要。ZigBee技术已成为智能家居建筑中一种非常重要的技术，它在该领域必将得到大规模应用和推广。
参考文献
[1]卢建伟，崔璨.基于ZigBee技术的智能家居系统概要设计[J].电子技术与软件工程，2014（18）：25-26.
[2]白国亮.ZigBee无线通信技术及其应用前景[J].林区教学，2009（6）：79-80.
zigbee协议范文6
关键词:ZigBee CAN 工业控制 现场总线
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0026-01
随着工业控制的发展,工业自动化已经渗透到工业控制的各个角落,同时在控制过程中,对实时获取节点数据,以及节点数据接口的开放性、标准性,数据传输过程的安全性等要求进一步提高,控制节点的有线控制网络的局限性也就越来越突出了。随着无线技术进一步为公众所接收,其应用的范围也在日益扩大,尤其在工业过程控制领域,由于无线技术的应用,解决了有线技术由于投资成本及环境限制未能实现的功能,提升了过程控制精度,为工厂管理带来极大的方便。ZigBee是在2004年12月,由ZigBee联盟在IEEE802.15.4低速无线网协议基础上提出的。该标准下的短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网灵活、电池寿命长等优点,在工业控制领域中有着深厚的发展潜力。CAN(Controller Area Network)总线是ISO国际标准化的串行通信协议,其高性能和可靠性已被认同,并在工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面广泛应用。
1 ZigBee的技术特点及优势
1.1 ZigBee技术的特点
ZigBee标准包括IEEE 802.15.4协议制定的物理层(PHY)和介质访问层(MAC)标准,以及在这之上由ZigBee联盟制定的网络层和部分应用层标准,它的技术特点主要包括:低功耗:在低耗电待机模式下,两节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是ZigBee的突出优势。而蓝牙可以工作数周、WIFI可以工作数小时;低成本:通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元;低速率:ZigBee工作在20kbps～250kbps的较低速率,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;近距离:传输范围即相邻节点间的距离,一般介于10m～100m之间。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。
1.2 ZigBee技术的应用优势
在工业控制中,设备之间的数据传输要求高可靠性,以及工业运用的实时性也要求数据传输的实时性,同时,在运用中也尽量要求设备组网能更加智能,更加灵活,以降低工业运用成本。
传输可靠性:ZigBee协议符合七层网络结构,在IEEE802.15.4定义的物理层和子层协议规范基础上,继续定义了网络层和应用层,在应用层中规范了应用支持子层和设备对象。此外还有类似空闲信道评估(CCA)、链路质量指示(LQI)等技术保证了数据传输的可靠性。
实时性和组网灵活性:ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,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。
2 CAN总线的特点及优势
2.1 CAN总线的特点
CAN总线协议是以国际标准组织的OSI开放系统的7层模型为参考的,并在该标准基础上改为模型结构仅为3层,即只保留了OSI的物理层、数据链路层和应用层,这保证了节点之间数据传输的低差错。
CAN总线是两线结构,即为差分形式的物理结构。也就是说,CAN总线上使用“显性”(逻辑0)和“隐性”(逻辑1)两个互补值来表达逻辑。高速CAN总线最快数据传输速率能达1Mbps,此时有效通讯距离为40m,当速率降为5kbps时,有效通讯距离能达10km。
2.2 CAN总线的应用优势
CAN总线协议支持多主机的工作方式,即任意节点可以在任何情况下主动向网络上的其他节点发送信息,这种方式将在工业控制中发挥巨大的灵活性,在协议层面上支持了控制现场的实时响应能力。此外,CAN总线协议也有着良好的仲裁机制,该机制保证了既不损失报文又不损失时间。
3 ZigBee和CAN总线技术的应用
在现代工业控制领域,对现场无线化的需求也进一步加大,所以使用CAN总线技术和ZigBee技术的结合,运用到一定范围内的工业控制现场,是一个很好的方式。
网关主要由CAN收发器、CAN控制器、ZigBee模块以及负责协议转换的控制器组成。CAN收发器和CAN控制器分别采用TJA1050T和MCP2515等芯片,可以满足大部分现场要求。ZigBee控制芯片采用德州仪器(TI)的CC2430,该芯片结合了一个高性能的2.4GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器核心和一个高效的8051控制器,在保证有效运用的基础上可以很好的实现低成本和低功耗。由于CAN总线与ZigBee通讯的传输速率和传输方式不尽相同,所以为保证两者之间的数据传输的同步性,也为保障系统的稳定性,一般使用譬如高速SPI等高速协议作为转换控制器。
4 结语
在实际工业现场对ZigBee和CAN总线技术的搭配运用中,体现了很好的灵活性,也大大降低了工业控制现场的管理成本,同时也提升了控制的效能。同时也可以看到,在该方法的基础上,为了能适应更多的控制场合,可以在总线技术上作灵活替换,以得到实现成本与控制效能的最佳结合点。
参考文献
[1] 王秀梅,刘乃安.利用2.4GHz射频芯片CC2420实现ZigBee无线通信设计[J].国外电子元器件,2005,12(3):59～62.