基于ZigBee的无线传感器网络研究
摘要:为了验证ZigBee协议的有效性,叙述了新型无线ZigBee通信技术,介绍ZigBee协议的结构和特点,基于ZigBee协议的无线网络设备以及网络拓扑结构;ZigBee标准协议栈结构及数据在协议栈内部的传输机制。以两个网络设备成网为例,详细给出了ZigBee设备形成网络时,各个设备的工作状态、设备之间网络连接过程以及数据帧的发送过程。最后,通过Microchip公司的ZigBee实验平台验证了ZigBee无线星型组网,实验证明,ZigBee技术是有效的无线传感器网络组网技术。
关键词:ZigBee技术;无线传感器网络;协议栈;无线星型网络
0 引言
ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率的无线接人技术,工作于无须注册的2.4 GHz ISM频段,传输速率为10~250 Kb/s,传输距离为10~75 m。该项技术自2002年起由ZigBee技术联盟研究开发,采用IEEE 802.15.4标准作为其物理层和媒体接入子层标准、网络层及上层标准,即ZigBee技术标准。
以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要较高的传输带宽,但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗。因此,迫切需要一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准,ZigBee技术的特点使它与无线传感器网络完美地结合在一起。本文以ZigBee技术为背景,研究基于ZigBee的无线传感器网络。
1 ZigBee网络设备及网络拓扑
ZigBee网络中可同时存在两种不同类型的设备,一种是具有完整功能的设备(FFD),一种是简化功能的设备(RFD)。在网络中,FFD通常有3种工作状态:作为个人区域网络的协调器(PAN);作为路由器;作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信,而对于RFD,它只能和一个FFD进行通信,故只能作为终端设备。
ZigBee协调器,即ZigBee的个域网协调器,是网络建立的起点,负责网络的初始化,确定个域网标识符和网络工作的物理信道,并统筹短地址的分配。ZigBee协调器必须是全功能设备,并且一个网络只有一个协调器。ZigBee路由器是一个全功能设备,类似于定义的协调器,在接入网路后,它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内,它能允许其他节点加入或者离开网络,分配及收回短地址,路由和转发数据。ZigBee终端设备,既可以是全功能设备,也可以是简化功能设备,它只能与其父节点通信,从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。
ZigBee网络由FFD和RFD组成,网络有两种拓扑结构:星型拓扑结构和对等拓扑结构。具体拓扑结构如图1所示。星型拓扑网络是由一个PAN协调器的中央控制器和多个从设备组成,主协调器必须是一个FFD设备,从设备既可以是FFD也可以RFD;对等网络拓扑结构也存在协调器,该网络不同于星型拓扑结构,在该拓扑结构中任何设备只要在其通信范围之内,就可以和其他设备进行通信。
2 ZigBee协议栈
根据ZigBee联盟公布的ZigBee技术标准,各个芯片生产厂家都公布了基于自己产品的ZigBee协议栈。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等,其中TI公司及Microchip公司开发了源代码开放的ZigBee协议栈。本文介绍Microchip公司基于ZigBee 2006标准的ZigBee协议栈。
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