试论ZigBee无线传感器网络的应用

摘　要：无线传感器因为具有很强大的应用功能和广阔的市场前景被学术界和工业界所重视，而对其的网络研究也已经成为了众多科学家和学术大师的研究课题之一，并被大众所关注。笔者通过对无线传感器的网络系统构架，对其的zigBee技术指数、标准和相应的特点和应用进行了分析，并用无线传感器在家庭网络自动化中的作用做实例，具体描述了其在生活中的应用。

关键词：ZigBee； 无线传感器； 网络
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号
前言
　　随着近年来传感器和通信以及计算机网络在工作生活中的广泛应用，并与微机电系统等技术的互相融合，促使了无线传感器网络应用的产生。无线传感器网络由于其具有较强的协作感知功能和能够自主的处理由部署在固定区域内的各个微型传感器所采集到的信息，为观察者提供了较强的网络监控组织系统而受到诸多用户的喜爱和关注。无线传感器网络曾因其多学科的电子技术、新兴、前沿的热点的通信手段被美国的《商业周刊》评为21世纪对人类未来生活带来极大影响的新兴技术。在技术的不断进步中，其适用的范围逐步扩大，目前被广泛应用于军事、建筑物建造、国防安全、环境保护、卫生系统、家庭日用等多个系统和领域。尽管传感器还处于发展的初级阶段，但其未来市场价值和发展趋势不可忽视。
1 ZigBee 技术的特点
　　ZigBee技术具有多种优点，如成本不高、损耗较低、速率不高、短时延、交稿的容量和安全性能交稿等。ZigBee技术中如20～250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)这些原始数据吞吐率和数据传输速率足够客户满足低速率传输数据的各种需求。ZigBee节点在其待机模式下，两节普通的5号电池可使其使用大约6～24个月，方便了不停换电池或者充电的繁琐。而其数据传输速率较低，协议不难，免收专利费用又在很大程度上降低了开发的成本，大大降低了开发成本，ZigBee响应速度很快，一般从低消耗的睡眠状态下到进入工作状态只需要15ms，而其节点连接到网络则只需要30ms，极大地节约了电耗。一个ZigBee 网络可以容纳最多254个RFD 和FFD，一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee 网络，很大程度上实现了网络容量大、组网灵活的目标。ZigBee又具备了三个标准的安全模式，充分使用了接入控制清单，在很大程度上阻止了外界对数据的非法获取，同时采用了具有更加高级加密标准的对称密码，为实现更高的安全性能提供了技术保障。
2 无线传感网络的定义
　　无线传感器网络的系统构成一般包括传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink）和管理节点（manager node）三个方面。大量的传感器的节点不规则分布在整个被观测的区域中，利用具备的自发功能创建网络，其节点首先在将检测到的相关信息进行必要的整理后，通过多跳中继的形式将其传递给汇聚节点，然后通过互联网等传送到终端用户所使用的的管理节点上。 反过来终端用户也可通过对管理节点的控制实现对无线传感器网络的管理。无线传感器网络传感器的各个节点通常使用嵌入式系统，但是由于其体积、价格和电源供给等方面确定，其作业的处理能力和存储能力比较薄弱，通信距离也有很大的限制。而无线传感器网络使用的汇聚节点则具有很强的作业处理能力和存储及通信能力，无线传感器不但具有强大的能量供应系统，还能够通过其特殊的网络设备，增强计算机的计算能力和存储容量。其通过协议的转换方式以实现管理各个节点与传感器的网络通信，把其所收集到各种数据及信息再转发到外部的网络设备上，并同步管理节点和接收到的任务。
3 ZigBee 技术在无限传感器网络中的应用
　　ZigBee技术是近年来发展出现的最新近距离无线通讯技术，具有能耗不高、成本低廉、使用简单的优点，主要以2.4GHz为频段、采用直接的序列扩频技术，已经被越来越多的人们用来搭建无线传感器网络，并一直受到人们的好评和喜爱。
　　标准ZigBee的主要技术基础是IEEE802.15.4，由IEEE无限个域网工作组所制定的IEEE802.15.4技术标准定义了物理层和媒介接入控制层。而PHY层由射频收发器和底层的控制模块构成；物理信道提供点到点通信的服务，是由MAC子层构成。IEEE802.15.4协议采用载波监听，避免冲突，由节点进行定期侦听信道，并接收其中的信标帧，在没数据来往时自动进入休眠状态。ZigBee协议一般采用各自分层的定义方式，每一个分成只需完成本层的规定任务，上传上层必要的服务内容。完整的ZigBee协议一般都是由高层的应用规范和应用汇聚层以及网络层加上数据链路层及物理层构成，网络层以上的所有协议则都是由ZigBee联盟来进行修订和管理。
　　ZigBee的网络层需要供给必要的设备加入，或退出网络和帧安全的机制、各种维护机制以及路由发现等。同时ZigBee的协调器中的网络层还有对新入网络的设备进行地址分配的任务。ZigBee的应用层则负责支持包括子层、ZigBee设备、和制造商所定义的特殊的使用对象。APS 子层则根据相关设备的要求跟每个设备进行必要的匹配，并负责维护节点的绑定列表以及在设备之间传达信息。ZDO主要负责发现和提供网络中的设备的应用服务。通常条件下，ZigBee网络中的设备可以被分为两种型号，一个是负责网络协调，同时可以同网络中的任何设备通信的全功能设备，另外是简化的功能设备，它只能与FFD通信，而不能作为网络的协调者，两个RFD之间职能进行间接通信。ZigBee网络所定义的三种功能设备是：网络协调器，网络路由器和网络终端设备。前两种都属于FFD，而最后的则是RFD。
　　ZigBee以不同的、独立的工作节点为依托，通过利用无线通信实现网络组成，网络拓扑主要包括星型、树型以及网状网三种模式，在实际应用中，可根据具体情况选择适合的网络拓扑。ZigBee网络中最少需要一个FFD为Coordinator建构网络及进行相关的协调辅助。为解决资金，ZigBee网络中的大部分节点都为 RFD。
4 根据家庭ZigBee技术的应用解读ZigBee技术
　　作为系统灵魂和控制核心而存在的家庭网关，其主机为嵌入式的系统平台，如果外接一个应用有ZigBee技术的短程无线收发设备，那么就很容易实现其对家庭区域网中多种设备的控制。而且还可以向外部提供多种远程控制的智能操作口，系统的管理员能利用其中的任意一台连接到因特网上的PC机从而达到访问Web页的目的，在家庭生活中，ZigBee的技术应用优点具体表现在可以通过在设备中嵌入 带有ZigBee芯片的无线网络系统，这样就形成了一个家庭的内部无线网络系统，通过这个网络可以轻松控制连接到这台设备上的各种电子设备，如水表、监控系统、天然气马表、和电表等。而每一个电子设备都构成了这个无线网络中的一个节点，通过这些节点，各个电子设备之间可以互相协作并进行快速的数据传送和接收，为家庭生活提供更加便利和舒适的生活环境，为了达到控制系统的智能化，ZigBee技术还可以将手机加入到其中，以轻松实现各种便利化的生活方式，如控制空调温度，开关防盗门等。
5 小结
　　ZigBee技术在目前的无线通信领域中已发展成为第一大支柱技术，其不但得到了IEEE国际标准化组织的认同，还在现今的无线通讯技术中有着其他通讯手段无法比拟的优势，其在军士、工业、家庭和交通等领域、方面的应用也在越来越多的得到重视，现在的很多科学研究团体和学术界也在为ZigBee技术的更广泛应用而努力，随着时代的进步，在不久的将来，ZigBee技术得到完善和改进后必将进入各个行业和领域，为人们的日常生活和工作提供各种便利，随着网络、通信技术的不断改进，人们对于通信系统的改进和日常生活的智能管理的关注也越来越多，人们已经渐渐不满足于当前的技术水平和通信的现状，而ZigBee技术技术的出现和应用，正好迎合了人们的这种需求和心里，当然，ZigBee技术也并非没有缺点，其宽带小、速度慢都在制约着其在其他一些诸如图像处理领域的发展。然而，我们有理由相信，随着ZigBee 技术的不断改进，其必将克服现状，为人们带来更好的技术和设备管理方式。
参考文献
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