ZigBee无线通信网络技术综述



  摘要:介绍了ZigBee网络的特点以及应用前景,并将之与现今常见的几种无线通信标准做比较,从而阐述了ZigBee网络独特的优越性,分析ZigBee网络的应用现状以及今后发展的方向。

    关键词:无线传感器网络 802.15.4标准 ZigBee网络

  1、引言

    无线传感器网络是涉及了传感器技术、计算机技术、网络及无线通信技术、自动控制技术等多学科的一种综合性技术 [1]。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本无线网络技术。目前ZigBee网络已经得到越来越广泛的重视和应用。

    2 、ZigBee网络及其特点

    2.1 ZigBee协议栈的组成

    ZigBee网络的协议栈结构是由一些层所构成的[2]。一个完整的ZigBee协议栈从上至下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。结构示意图如图1所示:

    图1 ZigBee协议栈组成结构示意图

    应用层的标准规范由ZigBee 联盟制订,ZigBee应用层定义了各种类型的应用业务,是协议栈的最上层用户。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层上。ZigBee联盟制订的网络层的主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制,以及拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。ZigBee数据链路层又可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。

    2.2 ZigBee网络的拓扑结构

    ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构:星状结构、混合状结构和网状结构,如图2所示。

    图2 ZigBee网络的拓扑结构

     星状拓扑组网简单、成本低,但网络覆盖范围有限,可靠性不足,一旦中心节点发生故障,所有与之相连的网络节点的通信都将中断。网状拓扑具有可靠性高、覆盖范围大的优点,但电池使用寿命短、路由管理复杂。

     2.3 ZigBee网络的特点

  ZigBee网络是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,每个ZigBee数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如,你可以通过互联网在家中监控远地某处一个ZigBee控制网络[3]。

    目前市场上常见的无线通信技术有Bluetooth、Wi-Fi等,它们之间的性能比较可以从表1看出,ZigBee网络的具有省电、可靠、廉价、延时短、网络容量大等特点。

    表1 ZigBee与其它无线方案的比较

    3、ZigBee网络的应用

    ZigBee主要是为自动化控制数据传输而建立,特别适合数据吞吐量小、网络建设投资小、网络安全要求高、不便频繁更换电池或充电的地方。因此,ZigBee将在环境监控电子设备[4]、农业自动化[5]、医用设备控制[6,7]等领域有广阔的应用前景。

     文献[4]在野外进行环境指标测定中,利用ZigBe将散布在考察地段的所有探测器与CPU连接起来,采集到的数据传送到CPU进行处理。文献[6]、[7]都提出在医院智能监控系统里面利用ZigBee进行系统组网。在医院已有的建筑环境下,尽量不改变建筑结构来组织网络,低成本的ZigBee适用于医院内布局复杂障碍物较多、电源供电限制严格等特点。[5]提到通过各种传感器采集诸如土壤PH值、降水量等各种信息,以帮助农民及时发现问题,促使农业逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式。

    4、结束语

    新兴的短距离无线通信技术——ZigBee具有低成本、低功耗和低速率等特点,它今后将继续沿着低能耗、低成本、通用性、实时性、智能性以及安全性的发展方向,发挥其丰富的优势来改善人们的生活与工作。

     参考文献:

    [1]崔莉,鞠海玲等.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展,2005,42(01):163-174.

    [2]马祖长,孙怡宁等.无线传感器网络综述[J].通信学报,2004,25(04):114-124.

    [3]Paolo Baronti, et al.Wireless sensor net works: A survey on the state of the art and the 802.15.4 and ZigBee standards[J]. Computer Communications, 2007, 30(2007): 1655-1595.

    [4]Mauri Kuorilehto,et al.Rapid design and evaluation framework for wireless sensor networks[J]. Ad Hoc Networks,2007. 03 (08):1-27.

    [5]A.Valente,et al.Multi-functional probe for small-scale simultaneous measurements of soil thermal properties, water content and electrical conductivity[J].Sensors and Actuators A,2006,132(2006):70-77.

    [6]Pietro Valdastri,et al.An implantable ZigBee ready telemetric plantform for in vivo monitoring of physiological parameters[J].Sensors and Actuators A,2007, 35 (04):1-10.

    [7]姚远,任永昌等.基于ZigBee技术的医院病人监控系统研究[J].中国医疗机械信息,2007,13(10): 32-34.