zigbee的研究论文

zigbee的研究论文（通用12篇）

zigbee的研究论文 篇1

ZigBee是基于IEEE802.15.4的一种新兴的无线网络技术,具有功耗低、组网能力强、成本低等特点.简要介绍了ZigBee技术,提出一种基于ZigBee的.微灌测控系统.根据ZigBee网络的特点,设计了微灌测控系统网络,表述其工作方式,给出了硬件和软件方案.利用ZigBee技术,可大大提高整个测控系统的性能和经济性.

作 者：李春 倪伟新 丁强 符伟杰 LI Chun NI Wei-xin DING Qiang FU Wei-jie  作者单位：李春,LI Chun(河海大学计算机及信息工程学院,江苏,南京,210098)

倪伟新,NI Wei-xin(水利部水文局,北京,100053)

zigbee的研究论文 篇2

1 无线通信技术

常见的无线通信技术有Ir DA、Home RF技术、蓝牙技术、Wifi以及Zig Bee技术。红外技术不适用于智能家居内部组网, 是因为红外技术是典型的点对点技术且通讯距离超短, 安全性方面极易受到干扰, 红外技术的典型和有效应用应该是遥控方面而不适用于智能家居无线内部组网;其次是Home RF技术, 其技术定位是家庭无线局域网, 智能家居的定位则为传感器网络:再次是蓝牙技术, 蓝牙技术尤其是在手机领域已经得到成熟的应用, 蓝牙的不足之处在于连接设备数只有7到8个, 这在多节点的家居环境中的应用是不足的;wifi提供的服务则是互联网接入, 明显不符合智能家居的无线组网;最后是Zigbee技术, 其具有低成本、低复杂度、低功耗、自动组网、高安全等特点, 可以无限制地链接端口, 满足系统不断升级的消费需要。Zigbee节点缩小了传输速率和覆盖范围, 但在家庭环境中没有电源的制约, 在智能家居环境中实现无线传感器网络, 其传输速率足以满足需要。

综上所述, 构建一个低成本、高效、安全可靠的智能家居无线网络, Zigbee将是不二选择。

2 系统设计概述

2.1 系统构成

本控制系统基于Zig Bee无线通信技术, 充分利用系统中资源实现对家居环境监测以及设备的控制, 为用户提供智能、便捷、舒适的家居生活。用户可以通过终端设备查看信息 (温度、湿度等) , 根据传感器采集的相应的数据和用户设定的参数, 实现对家电器、窗帘等处的电机等家具设备进行控制。

系统由一个终端、一台上位机、一个多节点构成。节点由传感器、电器、电机以及Zig Bee模块接入系统终端构成。其中位于星型网络中心的Zig Bee收发模块终端与作为终端控制器的imx253开发板相连接。控制器通过上位机软件连接电脑;与GSM模块相连接, 实现发送短信的功能;通过usb接口与摄像头相连, 实现录像监视的功能;控制器还连有触摸屏实现人机交互。

2.2 系统功能的实现

本系统的设计, 可以实现便捷有效地控制家居设备, 给用户提供舒适、安全、便捷的生活的功能, 其部分功能如下所示。

(1) 检测室温, 并将温度在显示屏显示, 根据事先设置的参数对空调实现自动调节, 或者通过触摸屏输入相关参数进行控制空调的温度。

(2) 检测非法进入、火灾、漏水、漏气等情况, 同时可以通过扬声器进行报警, 或者通过短信进行报警, 也可以进行视频监控。

(3) 门锁为磁力锁, 当有用户进出入时, 通过人像可以自动完成消磁作用, 将门打开。

(4) 在设定的时间或者通过短信, 热水器、微波炉等自动打开。

(5) 用户可以通过上位机设置参数。

(6) 在晚上关闭窗帘, 在白天打开窗帘。

2.3 控制方式

系统可以通过上位机向控制器设置空调开关温度、开关时间等参数, 对空调进行自动控制, 其他电器类似。另外用户可以通过触摸屏输入控制令, 随时控制打开或者关闭家电器。

上位机LINUX操作系统下进行开发通过RS232串口器连接, 主要作用在于湿温度等参数。Zig Bee收发模块终端通过SPI接口与控制器连接进行数据传输。

3 系统硬件开发

系统需要的硬件有Zig Bee收发模块、Imx283开发板、传感器模块、电机、与家电器相连接的继电器等。以下主要介绍系统硬件结构以及Zig Bee模块。

3.1 Zig Bee原理

Zig Bee是一种低速短距离传输的无线网络协议。Zig Bee协议架构是建立在IEEE802.15.4标准基础之上的。IEEE 802.15.4标准定义了物理层 (PHY) 、媒体访问控制层 (MAC) 。Zig Bee联盟定义了Zig Bee协议的网络层 (NWK) 、应用层 (APL) 和安全服务规范。Zig Bee协议以OSI七层参考模型为基础, 只定义了其中与LR-WPAN应用相关的协议层。Zig Bee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务, 管理实体提供其他的服务。每个服务实体和上层之间的接口称作”服务访问点 (SAP) ”, 通过SAP交换一组服务原语为上层提供相关的服务功能。服务原语是一个抽象的概念, 它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息, 而与实现服务的具体方式无关。一种服务包括一种或多种服务原语, 原语中的参数用来传递提供服务所需要的信息。OSI/RM规定了四种类型的服务原语:请求、指示、响应、证实。

IEEE 802.15.4的物理层提供两类服务:物理层数据服务和物理层管理服务。PHY层功能包括无线收发信机的开启和关闭、能量检测 (ED) 、链路质量指示 (LQI) 、信道评估 (CCA) 和物理媒体收发数据包。MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管路服务, 其主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。

3.2 以CC2530为核心的Zig Bee模块硬件设计

如图1所示, Zig Bee模块核心部分为cc2530+cc2591, CC2591是TI公司生产的高性价比和高性能的2.4GHz RF前端, 适合低功耗低电2.4GHz无线应用, CC2591的输出功率高达22d Bm, 集成了开关, 匹配网络和平衡/不平衡电路, 电感, 功率放大器 (PA) 以及低噪音放大器 (LNA) , 可以用在所有的2.4GHz ISM系统, 无线传感器网络, 无线工业系统, IEEE802.15.4和Zig Bee系统, 无线消费类电子系统和无线音频系统.本文中主要利用其强大的功率放大功能。CC2530是用于2.4-GHz IEEE802.15.4、Zig Bee应用的一个真正的片上系统 (So C) 解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

4 软件设计

4.1 节点软件设计

系统各节点的运行原理相似, 以下在红外线传感器节点的基础上说明系统软件设计原理。此节点在初始化后开始采集红外传感器和状态选择开关的信息, 状态选择开关电平为高电平说明用户在家, 无需进入警戒状态, 反之说明用户不在家或者处于休息状态, 系统进入警戒状态。进入警戒状态则读取红外线的高低电平, 若为低电平则有人进入室内节点向控制器发送警告数据。

4.2 控制其软件设计

该部分在IMX283开发平台完成, 其工作流程如图2所示。

5 结论

本系统利用Zig Bee技术对家居环境完成检测, 实时掌握家居信息, 完成对设备的自动控制, 以及报警功能。物联网技术是信息化时代发展的必然结果, 在我国网联网正被人们认识和接受, 智能化家居正逐步推广和应用。智能化家居给人们提供高质量、高安全、高快捷的生活。智能家居具有广阔的市场, 随着科技的发展智能家居必定还会有质的飞跃。

摘要：本文分析了智能家居的特点, 从工作频段、传输速率、功耗、传输方式、连接设备能力等角度对比分析无线连接技术, 提出基于ZigBee无线通信技术的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件设计方法, 文中展现出智能家居的部分功能。

关键词：ZigBee,传感器,智能家居,Imx283

参考文献

[1]金纯, 罗祖秋, 罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社, 2008.

zigbee的研究论文 篇3

关键词：无线网络；ZigBee；矿山生产安全；监测

中图分类号：TP202 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-02

Mine Wireless Network Application Research Based on ZigBee

Zhang Yue,Zhu Wei

（Resources and Safety Engineering Institute,Central South University,Changsha410012,China）

Abstract:This paper analyzes the importance of developing Zigbee technology as a representative of a mine wireless networkin the process of safe production in mines.Introduces the characteristics of the technology and application ZigBee wireless network advantage in mine,introduces ZigBee technology in the present situation and application examples of mine.And according to the current application analyzes the deep mining and the safe production in large application prospect.

Keywords:Wireless network;Zigbee;Mine production safety;Monitoring

一、引言

礦山监测、监控系统已成为矿山安全生产、灾害预警和事故救援的重要装备。目前，绝大多数矿山安全监控系统都采用有线方式传输信号，即采用光缆、电力线缆或信号线缆等。这些传统的有线布设方式存在着布线繁琐，安装维护成本大、覆盖范围有限、线路依赖性强等缺陷和不足。在这样的背景下，近年来，矿井无线监测系统得到了长足的研究和发展。

传统矿井无线监测和应急通信技术主要包括超低频透地通信、中频感应通信、漏泄电缆通信和超高频通信、小区蜂窝无线通信以及矿用小灵通等通信系统。此外，采用WiFi/ZigBee/RFID/UWB/WMN等短距离无线网络与通信技术的系统也是研究的发展趋势。

其中，ZigBee技术以其成本低、功耗少、可靠性高、组网灵活、易于维护等优点成为近年来矿井监测系统研究和应用较多的一种无线网络技术。

二、ZigBee技术简介

ZigBee技术的命名，来源于蜜蜂用曲折的舞蹈方式表示采蜜位置、距离和方向的含义。2003年，IEEE无线个人局域网（PAN）工作组发布的IEEE 802．15．4技术标准是ZigBee技术的基础。IEEE802．15．4为ZigBee定义了两个物理层标准，分别是2．4GHz物理层和868/915MHz物理层。这两个频段上无线信号传播损耗较小，可以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设定的区域。简而言之，ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率（小于250kbit/s）、低成本、工作在2．4GHz和868/928MHz的无线网络技术。

三、ZigBee技术的特点

（一）数据传输速率低：只有104字节/秒到2504字节/秒，专注于低速率传输应用。

（二）时延短：通常时延都在15ms至30ms之间，适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。

（三）低功耗：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，功耗远远小于其他无线设备，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

（四）低成本：ZigBee协议简单，免收专利费，此外，ZigBee模块是集成度很高的单芯片，目前成本为6美元，预计生产成本可降至2-3美元，设备投入低，所以大大降低了成本。

（五）网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，即每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

（六）有效范围小：有效覆盖范围10-75m之间，扩展后也可达几百米，甚至几公里。

（七）可靠度高：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据报都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

四、ZigBee技术在矿井中的应用实例及分析

目前，ZigBee技术已经在矿山中的到了一些应用和发展，如基于ZigBee技术开发了用于矿井人员管理及救援的矿井智能头盔，用于矿井机车定位和调度的智能矿井机车运输监控系统，用于矿井漏电保护、防爆、温度监测等的矿井综合监测系统。根据Zigbee技术的应用可以分为以下两方面：

（一）对移动目标的定位和管理。对移动目标的定位是根据两点信号强度定位法进行定位：当移动目标在不同的位置发射信号时，处于与该移动目标两端的网络节点接收到的信号强度因节点距移动目标的距离不同而强度不同，相应的两个网络节点将接收到的信号强度传往控制中心，通过简单计算，再加上现场实测效正，很容易确定该移动目标的位置。通过对移动目标的定位和监控，不仅可以对井下作业人员进行管理，对机车进行实时调度，提高作业效率。而且，当出现事故时，可以很快确定井下人员位置，实施救援。

（二）对矿山生产环境的监测

图1.ZigBee井下监测系统的整体架构

具体方案为在井下监测区域内布置若干传感器节点，实时采集矿井内的坑壁压力、采场温湿度、有害气体浓度等环境信息，然后通过节点内部的嵌入式系统对数据进行处理，节点间通过无线通信形成自组织网络以中继多跳的方式传递监测信息，最后传输到中段的汇聚节点。汇聚节点连接传感器网络和外部网络，实现通信协议之间的转换，并把收集的数据转发到外部网络上，传到远程的监控终端。

相比传统的有线网络通信方式，基于ZigBee的无线传感器网络不仅大大降低了成本，灵活性和覆盖范围大大提高，而且维护也变得简单。

五、ZigBee技术在深部开采中的应用前景

我国有很多重要的金属矿产资源都是通过地下开采的方式获得，随着浅部资源的逐渐减少和消失，地下开采的比例将越来越大，包括现有的部分露天矿山也将转入地下开采。经过几十年的开采，目前很多地下矿山均己进入深部开采。如铜陵狮子山铜矿的开采深度已达1100米，山东玲珑金矿和吉林夹皮沟金矿已到1000米，辽宁红透山铜矿已达1300米等。

随着开采深度的不断增加，“三高一扰动”（即高地应力、高地温、高渗透压和强烈的开采扰动）的复杂地质力学条件成为制约深部开采的重大问题。科学、准确、合理的监测系统是减少和预报深井开采灾害的重要手段。基于ZigBee技术的自身优势和现有井下无线技术解决方案，ZigBee技术将在深井开采方面发挥重大作用。

特别是将ZigBee技术嵌入到现有的微震监测系统中，对现有的微震监测系统进行技术改进。一方面可以通过成本的降低来增大传感器的布置规模，获得更大的样本容量，提高岩爆预测的准确度和可靠度；另一方面，采用ZigBee无线技术后，节点的布置更加灵活，使岩爆的预测更加的科学。

六、结语

随着技术的成熟和开采环境的日益复杂，以ZigBee技术为代表的无线技术，将成为矿井监控、定位中的主要通信手段，矿井的无线技术应用值得探索，并将进一步推动矿山数字化和信息化的进程。

参考文献：

[1]戚晴晴,吕英华.基于ZigBee的矿井监测网络研究[C].2009通信理论与技术新发展——第十四届全国青年通信学术会议论文集.

[2]李峥,苗曙光.ZigBee无线传感器网络在矿井巷道监测系统中的应用[J].仪表技术与传感器,2010,8

zigbee的研究论文 篇4

基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

作者：袁金正 石奋苏

来源：《现代电子技术》2013年第04期

摘 要： 针对精密仪器实验室对温湿度的严格要求，和在控制调节方面的延迟现象，设计了基于ARM和ZigBee的精密仪器实验室温湿度自动测控系统。系统以ZigBee无线传感器网络为温湿度数据来源，以AT91RM9200嵌入式微处理器为中心，使用RS 232C接收接口，通过对GPIO的电压输出控制，从而操纵以继电器为中心的控制电路；系统采用嵌入式Linux为上位机开发平台，使用Qt/E和多线程技术实现了图形用户界面，完成了温湿度的实时显示、查询和设置，根据精密仪器实验室温湿度的变化，系统可以准确地进行自动测控。关键词： 温湿度； ZigBee； GPIO； 精密仪器实验室； RS 232C； 继电器

zigbee的研究论文 篇5

具有安全特性的高性能、低功耗、自组网的ZigBee组网是当今WSN和物联网RFID技术组合的主流高新技术之一，相比蓝牙、Wi-Fi和GPRS，ZigBee组网更具有特别的安全性;而STM32单片机高效能、高可靠、低成本和技术成熟，还可以实现51单片机不能完成的复杂功能用途，是很有发展前途的一款单片机。

因此，STM32单片机是安全、稳定的ZigBee组网节点的恰当选择。μC/OSⅡ操作系统具有执行效率高、空间占用小、多任务、可扩展能力强和稳定可靠的特点，符合WSN的信息安全稳定工作要求。

建立在STM32单片机、ZigBee组网和μC/OSⅡ操作系统基础上的软硬件系统是建立低成本、高可靠、高安全的无线网的必要条件。将无线网络信息安全建立在使用STM32单片机、基于ZigBee组网和μC/OSⅡ等实时操作系统上的POS系统环境，相比建立在基于51单片机裸机上的ZigBee组网的POS系统环境，安全度更高更可靠。

1.2 ZigBee无线网的安全特性

ZigBee无线网是一种短距离、低功耗、自组网和高安全性的高新无线通信网络，由一个高性能的FFD(全功能节点)和多个的RFD(精简功能节点)组成PAN(私人用局域网)。只能有FFD建立PAN网，由多个PAN网建立整个ZigBee组网。

万一有FFD被击毁，可以由临近有效范围的FFD自动重新组网;当孤立的RFD不在FFD范围内，可以通过其他附近的FFD加入PAN网，灵活性和稳定性很高。由于ZigBee无线网的有群集性多跳性，定位节点位置是技术难题，就需要再组合GPS应用模块进行补充，

1.3 ZigBee无线网安全的关键技术

ZigBee的无线通信安全的关键是通信协议，ZigBee协议规范提供了信任中心、网络层安全和APS层安全，不提供链路层安全。ZigBee遵守IEEE802.15.4协议，并可以在简单的IEEE802.15.4协议基础上开发简单的WSN应用协议，用于建立小规模简易局域网如星型网。

甚至在此基础上自行开发大规模复杂的协议栈，比如用于智能家居自动监控系统的Mesh网。还可以创新多种功能的应用程序和系统软件。我们甚至可以把开发出来的有安全保护的协议栈固化到芯片中去，使用AES协处理器实现信息的硬件加密加速的功能，而我们的软件只需要设计一个自己的API接口就行。

1.4 ZigBee无线网的POS系统信息安全架构

针对ZigBee组网的POS系统信息安全问题，从上层到底层可分为：操作安全、网络安全、软件算法安全、底层硬件安全。操作安全要求有一套严格的操作规章制度，禁止未授权人非法使用、越权使用。网络安全要求网路的安全，包括接入点安全和网络协议族安全。软件算法安全最重要也很复杂，包括各种加解密算法安全、电子签名和身份认证。底层硬件安全包括、POS机安全和意外安全。

2 基于ZigBee无线网的POS系统软件算法安全及算法比较

身份认证可以使用不对称加密算法和对称加密算法，一般应使用不对称加密的RAS算法。使用预定好的密钥进行身份认证，身份认证成功后，对存储器的任何操作都是加密的。身份认证共有三轮，如图，流程为： 第一轮：a) 读写器指定要访问的存储区，并选择预定密钥A 或B。b) 射频卡从位块读取密钥和访问条件。然后，射频卡向读写器发送随机数。

第二轮：c) 读写器利用密钥和随机数计算回应值。回应值连同读写器的随机数，发送给射频卡。d) 射频卡通过与自己的随机数比较，验证读写器的回应值，再计算回应值并发送。

第三轮：读写器通过比较，验证射频卡的回应值，正确后才能对卡进行读写操作。这样认证加密后，就有效的保护了个人隐私。身份认证成功后，读写器/芯片指定后续读取的存储器位置，数据加密采用TEA、DES、AES等。为保证终端设备的安全，必须一卡一码，并且每次只能对一张卡操作。认证完成后才能进行卡的读写操作，每次只能有一张卡选中，获得认证后进行读写操作，其他的卡则进入休眠态，以保证不会出现由串卡现象引起的误操作。射频卡读写器的安全软件由生产商配备，并且通常要固化到硬件。

RSA算法的难度在于如何产生密钥对，RSA生成公钥的.方法：任意选两个大素数M、N，选择一个加密密钥E，使E不是(M-1)和(N-1)的因子;

生成私钥D的公式：(D*E)MOD(P-1)*(Q-1)=1;

用公钥E加密公式：CT=PTEMOD(M*N);

用私钥D解密公式：PT=CTDMOD(M*N)。

在ZigBee网中，对于敏感性信息的安全保护没有太高要求的应用领域，在32位CPU或MPU处理器主频80Mhz情况下，使用对称加密方法的DES，加解密的速度为26.75Mbyte/s， 加解密的速度水平较高。如强化安全性能可以升级为更先进对称加密方法的AES，如使用AES加解密，加解密的速度11.69Mbyte/s， 加解密的速度水平中等，比前者慢。

在ZigBee网中，对于敏感性信息的安全保护有很高要求的领域，特别是在财务、金融和军用领域，必须要保证身份认证和数据信息的绝对安全。所以，算法必须使用复杂加密方法RSA，并配合数字签名。在32位CPU或MPU处理器主频80MHz情况下，1M的 RSA 签名次数 32 次/秒，认证次数 32 次/秒，正所谓慢工出细活。

RSA使用公钥密钥对机制，再配合数字认证可避免中间人攻击，这对于开放性更强的无线网络尤为重要。如果采用对称密钥算法，密钥容易被入侵者截获，对收发双方进行欺骗并非法获利。并且RSA伸缩性更好，所需密钥数与消息交换参与者个数相等。

而对称加密算法容易受到中间人攻击，密码会被盗用;并且一旦网络规模加大，密钥对的数目的需求成指数级别增长，是消息交换参与者个数的平方，在密钥发放过程中很容易泄密。因此，身份认证应采用安全度更高但速度慢的RSA;经常大量的数据包加密采用速度快的DES或AES，并可用ZigBee节点自带的AES协处理器进行硬件加速。若要进一步加速数据包加解密速度，可以将主节点与上位机的串行数据接口改为高速的USB接口，就可加快加解密速度。以下简述AES的应用程序设计。

3 POS系统的ZigBee网络安全

在TCP/IP各层数据安全中，ZigBee的网络数据信息安全的数据安全主要特点有：非法网络节点的过滤和无线网信息加密，可有效避免网络的非法入侵。通过IEEE802.15.4协议栈的应用库，例如如在基于MAC协议栈的MAC库API上，通过建立PAN网，每个PAN都有独有的PAN地址ID，这样就可通过PAN网ID和节点ID过滤来区分ZigBee网节点的合法性。在发送和接收数据包过程中，通过AES算法来加密来实现数据的信息安全。

据最新报道，AES加密算法已被国外顶尖专家破解，但是也不必惊慌，对于绝大多数情况下，附加其他综合安全措施，它目前还是很安全。AES高级加密标准(Rijndael算法)明文分块和密钥为可变长，加密的轮数为可变次，每一轮4步：第一步：使用S盒技术进行字节替换。

第二步移行，第一行不变，其他的行移动可变次数。第三步混合列。第四步，轮密钥加法，将密钥与输入的字符进行字节异或操作。其中的可变部分由用户自行确定后，生成的密文更难破译。

此外，网络接入点的防火墙也很重要，防火墙保护可信任内部网络免受不可信网络的入侵威胁，能极大地提高政府部门、企业内部网络的信息安全，同时允许信任的双方通信，并通过过滤不安全的网络服务而降低风险。

ZigBee无线网的接入点也必须要有完备的防火墙设置，采用路由器相互认证、地址翻译等方法，方可有效防止假冒的路由器接入内网和非法截取私有敏感数据，以确保无线网的信息安全。

在以STM32单片机为节点的ZigBee无线网，可加载GPS卫星定位模块，将关键的可读写的FFD节点中嵌入GPS模块并且全部定好位，并将地址上传到主控机节点，而执行多跳的RFD节点不加载GPS模块，以减少信息安全成本。这样，凡是不在正确的GPS位置的非法入侵FFD节点一律无法加入ZigBee网并且会导致启动入侵报警程序。

4 POS系统硬件安全

由于是无线网，ZigBee网的安装和POS机入网离网非常方便，易于随身携带，比固定POS机好保管、防盗。在POS机内置高容量缓存，可暂时保存网络通信延迟信息。内置后备供电池，防止突发停电。配置后备存储器，暂时断网后可脱机保存消费信息。

5 结束语

基于ZigBee无线网的POS系统信息安全不仅要有严密的安全算法，健全的软、硬件和网络安全环境也起了不可替代的作用。此外，无线网信息安全应当考虑到加解密算法的安全性能、成本和时间的平衡点，寻求安全、低价和快速的实施方案。有有效的方法就是：首先，身份认证采用安全度更高但速度慢的RSA算法，极度敏感数据采用加载GPS模块的STM32单片机来定位入侵;

其次，经常大量的数据包加密采用安全度较低但速度快的AES算法，并采用低价、高效和低功耗的STM32单片机为节点的ZigBee无线网，使用AES协处理器加速加解密处理;

zigbee的研究论文 篇6

自ZigBee规范问世以来[1], zigbee网络吸引了众多机构不断地投入人力物力对zigbee相关的芯片、协议栈和实际应用进行不断开发、完善和发展。在应用领域上, 基于ZigBee的智能家居无线网络和楼宇自动化无线网络等方面都获得相当广泛的接受和认可。

在zigbee网络的实际应用中发现, 空间中同时存在基于其他各种无线技术的设备。而大部分无线技术 (如802.11系列、802.15系列、RFID、无线HART等) 都工作在2.4GHz的ISM公共频段。这样就会出现空间中各种无线网络相互干扰的现象。所以, 在各种无线技术共存的环境中为了使ZigBee设备能够具有更好的抗干扰性, 本文提出一种自适应跳信道技术应用于ZigBee网络。这种跳信道技术不仅提高了设备的抗干扰性能, 同时也充分利用了2.4GHz频段内ZigBee的全部带宽。

1 ZigBee的跳信道原理

1.1信道分类

ZigBee网络采用IEEE802.15.4[2]协议, 工作在2.4GHz有16个信道。如图1所示, 信道主要分为:

1.1.1专用信道 (15#, 20#, 25#,

用于信标帧的广播:为了网络中的协调器在发送信标帧的时候不被功率较大的IEEE 802.11b系统干扰, 信标帧发送时使用1 5#, 2 0#, 2 5#, 2 6#这四个与IEEE802.11b的工作信道不重合的信道。

1.1.2一般信道 (专用信道以外剩下的信道)

四个专用信道以外, 其余信道都将与IEEE 802.11b的1#、6#、11#这三个工作信道重合, 所以在可干扰范围内与IEEE802.11b系统产生信道冲突的可能性相对较大。

2基本原理

当ZigBee在全部信道范围内跳信道时, 有一个IEEE 802.11b设备正通过它的一个信道 (等于ZigBee设备的4个信道) 进行通信, 那么, 必然会干扰ZigBee连续4个信道。这时, 我们把受干扰的这4个信道从跳信道序列中去除掉, 防止两种系统间的干扰。

当去除了干扰信道之后, 必须用其它好信道去弥补它。弥补方法是, 假设当前信道为被干扰信道, 那么用被干扰信道的后一信道替代当前信道。如果序列是随机选出来的, 那么很有可能后一信道也是受干扰的连续4个信道之中的一个。这个问题可以通过跳信道序列的合理选择来解决。

2.1跳信道序列选择

前面讲过ZigBee的信道可以分为两种, 一种是与IEEE802.11b三个信道 (1#、6#、1 1#) 重合的部分;另一种是刚好在这三个信道之间的非重合区域信道。以这几个非重合信道为界限, 将16个信道分为四个信道组:

1 1#、1 2#、1 3#、1 4#为一组;

1 6#、1 7#、1 8#、1 9#为一组;

2 1#、2 2#、2 3#、2 4#为一组;

最后26#信道作为一组。

如图三所示, 选取信道是按以下步骤:从每组中的第一个信道依次选取, 接着又是每组的第二个信道依次选取, 这样一直选下去, 最后只剩下中间三个信道1 5#、2 0#、2 5#, 这三个信道依次放到序列的最后。

从选择好的跳信道序列可以看出, 任何相邻两个信道都不属于同一个重合区域。所以, 当用相邻的后一信道替换当前信道时, 可以保证替代信道不属于同一受干扰区域。

这样选择序列的好处还存在以下两个优点:

(2) 保证相邻信道之间相隔20MHz以上带宽

(2) 保证相邻两个驻留周期不停留在同

一组重合区域

3 zigbee跳信道技术抗干扰分析

3.1对IEEE 802.11b系统的抗干扰分析

当系统被IEEE 802.11b系统干扰时, 很显然, 它会干扰到IEEE 802.15.4的连续4个信道, 即我们在2.5节里面分的任意一组信道。本文所采用的躲避干扰的策略是:当某一信道受到干扰并要被去除次信道时, 用它后面一个信道来替换这一信道。如图3所示。

3.2混合抗干扰分析

混合抗干扰指的是, ZigBee系统既要抵抗IEEE 802.11b的干扰, 同时也要抵抗来自相同系统的干扰。要避免这种干扰, 在综合使用各自的抗干扰原理的同时还需做灵活的应变措施。前面提到, ZigBee系

统抵抗来自ZigBee系统的干扰时, 使用了采用不同起跳点的方法;避免来自IEEE802.11b系统的干扰时, 采用了用后一信道替换当前不可用信道的措施。但如果盲目的混合使用这两种方法会出现负负得正的情况。

分析混合抗干扰需要有一个表示起跳点间隔的参数, 这个参数用n表示。可选择的起跳点数用k表示。n和k都为整数, 关系式如下:

k=16n+1, 0

如图4所示, n=0时, k=16, 即有16个起跳点供每个系统选择。邻接的两个ZigBee系统, 一个工作在起跳点为11#的序列;两外一个工作在起跳点为16#的序列。这时, 有一个IEEE 802.11b系统加入, 其干扰范围将这两个ZigBee系统全部覆盖进去。如果将上述两种方法综合利用, 把IEEE 802.11b的工作信道去除掉, 并以期后一信道替换时, 重新得出的两个序列会出现部分重叠现象。

所以在一定区域内, 合理选择n值是非常重要的。网络形成时, 系统随机选择一个n值, 根据网络的通信情况, 增加或减少n值, 直到网络达到最好的通信质量。

上图所示n=0时, 一旦遇到网络非常密集, 所有起跳点都被使用的情况下, 面对抗干扰是非常脆弱的。而n=1时, 用六边形覆盖原理分析其抗干扰性能。

如图5所示, 正六边形表示星型网的覆盖区域, 半径表示这个网络的最大传输距离。用不同的图案表示不同的起跳点。图中使用了7个起跳点。小圆的半径两倍于最大通信距离;大圆的半径四倍于最大通信距离。小圆覆盖了六边形区域里所有可能存在的节点的信号覆盖区域。每一个区域周围最多可以有6个邻接区域, 这也是网络分布最为密集的情况。小圆没有超越周围任何一个邻接区域, 这说明, 在理想的情况下只需要7个起跳点就可以实现全网覆盖和抗干扰。而n=1时, 实际上有8个起跳点可供选择, 所以n=1时系统可以有效抗干扰是成立的。当网络并不非常密集, 网络分布相对疏散的情况下, n可以取更大的值, 系统的抗干扰能力也会相应提高。

4结语

通过分析, 文章提出的ZigBee网络跳信道方法对本系统和IEEE 802.11b有很好的抗干扰能力, 原理也较为简单, 降低了实现难度。只要ZigBee网络能够支持较好的时间同步, 通过在M A C层添加跳信道信息和信道替换算法, 可以实现带有抗干扰能力的ZigBee协议栈。

参考文献

[1] 蒋挺, 赵成林.紫蜂技术及其应用.北京:北京邮电大学出版社[M].2006.

[2] 顾瑞红, 张宏科.基于Zigbee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用, 2005 (6) :l-3

zigbee的研究论文 篇7

关键词：

ZigBee无线通信； 通信距离； 自组网

中图分类号： TN 92 文献标识码： A

引 言

在靶场测试领域，终点效能评估时需要对设备运行状态进行实时的监控，天幕靶信号处理装置的研究为其带来飞跃性的突破。文中采用ZigBee无线控制模块^[1]，使多套天幕靶之间构成一个局域网。通过对局域网络的控制完成各个设备之间信息的同步通信，从而使得各个天幕靶之间有良好的信息通道，方便信息的传输，从而使得靶场领域外弹道多点测试和终点效能评估时，各天幕靶之间可以进行实时且可靠地通信，解决了之前长线传输带来的噪声过大的问题以及可靠性过低的问题。测试系统见图1。

整体系统由测时系统、ZigBee无线通信模块、温度采集传感器、电源管理和STC单片机组成，整个系统的测时系统将时间信号采集好以后暂存在68013的单片机中，当需要将数据输送到上位机时通过I2C总线传送至STC单片机内，STC单片机再将数据通过远程控制系统传送至上位机，从而工作人员得到测试数据。由此可见，ZigBee无线通信模块是整个系统中尤为重要的模块。

ZigBee通信的实时性以及最大接入点是决定跟踪系统整体性能的关键^[2]，文中主要介绍其组成原理以及软硬件设计方案，通过对系统实时性能的分析，验证ZigBee无线通信在距离200 m，接入节点16个的基础上，测试精度提高到0.5 μs，并且可远程实时监控各设备的运行状态。

1 基于ZigBee多天幕靶接入的工作原理

测量弹丸飞行速度是利用天幕靶探测其到达空间某一预订位置时刻进而得出的，当在全弹道测试中，终点效能评估时，具有远程控制、可靠性强等新功能的天幕靶是需解决的问题。在测试弹丸飞行速度之前，首先要通过ZigBee的远程控制使得各天幕靶的状态参数，如：亮度、噪声等调整到统一的正确的位置；当弹丸飞越天幕，记录其触发时刻信息后，天幕靶信号处理装置中的ZigBee无线控制网络就会将此数据传回上位机；当某一台靶出现问题时，也可以通过无线网络反馈给上位机，做出及时调整。此外，监控各天幕靶信号处理装置的电源温度及电压的参数也是通过此网络传送至上位机。由此一来，在终点效能评估时可以全程监控设备的运行状态是否良好，可靠性有了很大的保证。

2 ZigBee无线控制的设计方案

ZigBee无线通信模块是整个信号处理装置的重要组成部分，同时也是决定系统稳定性，可靠性能的关键部件。根据系统需求的分析，课题采用网状网络，由一个网络协调器，少量路由器以及若干网络终端设备构成，网络协调器负责网络的管理工作，而终端设备把数据通过无线网络发给协调者。ZigBee无线通信的系统效果如图2所示，在协调者的无线覆盖范围之内，布置若干网络终端节点^[3]，各个终端节点传递网络数据到协调器，网络协调器再通过全球移动通信系统（giobal system for mobile，GSM）的远程控制传输数据到服务器，从而实现网络的互相通信以及管理。

3 硬件平台以及软件平台的选择

3.1 硬件平台

ZigBee网络中，网络协调器、路由器、终端设备的通讯模块的硬件都基本相同，文中采用较成熟的ZigBee开发模块作为主要电路的借鉴依据，设计课题的硬件设计方案。

该ZigBee开发模块为达泰电子的DTD253_EMK和DTD2X3_EM，主要包括：

（1）DTD253B模块，其使用2.4 GHz的频段，集成了8051内核，方便开发测试，是整个系统和实验的核心；

（2）TTL串口以及多个I/O，A/D接口；

（3）仿真器USB接口，用于跟电脑连接并可以给板子供电，仿真器Debug接口可以对DTD2X3_EM模块进行下载调试等；

（4）集成了温度传感器，串口以及模拟A/D电路等，方便用户的开发和实验。

（5）独立天线，在CC2530片上系统中集成了射频功能。

其中CC2530是一个为无线应用设计的真正的低能耗无线片上系统^[3]，它的内核是加强的8051内核，集成了32 kB的系统可编程FLASH。

3.2 软件平台

IAR Embedded Workbeneh是IARSystems公司为ARM微处理器开发的一个集成开发环境（下面简称IAREWARM）。比较其他的ARM开发环境，IAREWARM具有入门容易、使用方便和代码紧凑等特点。

IAREWARM的C/C++交叉编译器和调试器是目前世界最完整的和最容易使用的专业嵌入式应用开发工具。EW对不同的微处理器提供相同直观用户界面。IAREWARM目前已经支持35种以上的8位/16位/32位ARM的微处理器结构。IAREWARM包括：嵌入式C/C++优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器。使用IAREWARM的编译器最优化最紧凑的代码，节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。

4 ZigBee协议栈实现

在整个系统中，软件设计是系统的核心，关键在于IEEE802.15.4/ZigBee协议的理解和软件结构的设计，软件功能结构分别包括：硬件驱动，PHY层，MAC层，NWK层，APL层，系统资源管理和用户应用层^[4]。

（1）PHY层的实现。PHY层主要实现信道选择；信道能量检测ED；接收包链路质量LQI的检测；空闲信道评估CCA；无线信道收发数据PPDU。

（2）MAC层的实现。MAC层处于NWK层和PHY层之间，它的主要功能如下：处理MPDU数据；利用CSAM-CA机制共享物理信道；数据应答重传机制；DE、ACTIVE和OPRAHN三种扫描机制；关联和退出关联功能^[5]。该层实现PHY和NWK之间的联系，处理来自这两层的所有请求。

（3）NWK层的实现。网络层（NWK）位于媒体访问控制层（MAC）和应用层（APL）之间，是ZigBee协议栈的核心部分^[6]，主要功能如下：网络层协议数据单元（NPDU）处理；组网管理以及路由管理。

（4）系统资源管理。主要包含了存储空间的管理和定时器的管理，而存储空间的管理采用了一种各模块之间共享缓冲区的方法进行通信，每个模块具有一个执行函数，用于接收来自底层模块的数据。在数据接收阶段，底层模块将接收到的数据帧在本层解析后，将需要向上层模块发送的数据存放在共享的接收缓冲区，同时通过全局变量的形式向上层模块提供指示原语；在上层模块的执行函数中^[7]，首先通过判断来自底层模块的指示原语确定的方式。

（5）APL层的实现。应用层技术实现主要包括APS层的APDU包处理、APS层提供的绑定表管理、AF实现的MSG和KVP数据包处理以及ZDO^[8]的设备发现和服务发现。

课题中软件的设计（协议的实现）是用C语言编写的，下面给出一个应用例子的流程图（见图3）：

5 实验结果分析

测试的目的是为了检验整个天幕靶信号处理装置测试的过程中通信协议是否能正常工作，是否可以达到所要求的通信距离和速率的指标，以及通信协议的抗干扰性。测试系统中包含两个方面，一个为网络终端节点，负责采集传感器的模拟数据，并通过无线通信发射出去；另一个网络协调者，负责网络的管理以及接受终端节点发送过来的数据，并显示在计算机上。

测试结果为：

（1）当室外进行通信时，可以远程监控设备的运行状态，并且显示在计算机上；

（2）减少了整个测试系统中因长线传输造成的噪声干扰，在GPS共同作用下精度达到0.5 μs；

（3）用路由转发时，传输距离增加，但性能不稳定，需要改进。

图4所示为设备运行中采集到的电压的状态。

6 结 论

通过对试验结果的分析，可以知道采用ZigBee无线通信模块，在全弹道测试中以及外弹道多点区截测速中配合天幕靶的测时功能，将多个天幕靶接入到同一个网络中，从而实现了天幕靶测时的实时性的要求，使得其在测量弹丸飞行速度的时候可将数据第一时间反应到专业人员手上。同时在测试的过程中，对各天幕靶进行状态上的监控，在出现状况时可以及时的作出调整，节省了很多时间以及弹药，大量试验验证该设计系统是稳定可靠的。

参考文献：

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[4] 瞿 雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2007.

[5] 凌志浩.ZigBee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报（自然科版），2006，32（7）：801-805.

[6] 李湘宁.用于变焦距系统高斯光学计算与分析的通用程序[J].光学仪器，1993，15（2）：12-15.

[7] 朱向庆，王建明.ZigBee协议网络层的研究与实现[J].电子技术应用，2006，32（1）：129-132.

zigbee的研究论文 篇8

基于ZigBee的Mesh网络具有以下特点：

1. 该Mesh网络是一种特殊的、按接力方式传输的点到点的网络结构，其路由可自动建立和维护。

2. 一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。

3. 协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点(网关)。

4. 构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件(FFD)，而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件(RFD)。

5. ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。

a. AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。

b.当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无环回的，并避免了当Ad hoc 网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题(特别是当一个节点进入网络时)。

zigbee的研究论文 篇9

近年来,国家非常重视煤矿安全生产工作,已颁布多项法规明确煤矿开采的必备条件,明确要求准确掌握井下人员的数量和位置、遇险后撤退路线、井下的环境监测等情况。因此,煤矿迫切需要利用相应的矿井人员跟踪定位设备,全天候对煤矿入井人员进行实时自动跟踪和考勤,随时掌握每个员工在井下的位置及活动轨迹、全矿井下人员的位置分布情况以及井下人员位置。在此背景下,笔者等人和山东某矿业集团公司共同开发了基于Zig Bee的井下人员定位系统[1]。

本系统采用Zig Bee技术,选用Chipcon公司的无线收发模块CC2430 和CC2431,具有功耗低、体积小、成本低等特点;采用冗余无线自组网络传输数据,适用于复杂多变的环境、不方便铺设传输线缆的矿井[2⁃3]。

1 系统整体方案设计

本系统主要由井下检测站、身份识别卡、集中器和管理主机组成,检测站和身份识别卡可以看作Zig Bee网络的节点[4⁃5]。整个系统中检测站是固定的,而身份识别卡则是移动的,身份识别卡在移动过程中与各检测站进行组网。系统示意图如图1 所示。

其中集中器负责把通过Zig Bee网络采集到的数据转化为TCP/IP协议接入以太网,以太网内的管理主机通过TCP/IP协议接收数据或者将上位机发送过来的数据传送给各检测站。

检测站负责对识别卡的信息采集和跟踪定位,采用无线自组网技术和优化的路由算法,使检测站采集到的识别卡信息和跟踪定位数据按优化的路由路径传到邻近的检测站,然后传到集中器。

身份识别卡由井下人员携带(可安装在矿灯上),用于存储人员基本信息,在移动过程中与监测站进行自组网,实现人员定位。

管理主机通过软件处理收到的定位数据并实时显示井下人员的位置和其他相关信息;管理软件既可查看井下人员定位信息及考勤记录情况,也可实时显示井下人员的所在位置及活动记录等。

2 系统各单元设计

2.1 集中器设计

集中器的核心模块选用CC2430,它一方面负责接收由上位机提供的检测站和身份识别卡的配置数据,并根据不同的方式发送给相应的节点(检测站或身份识别卡);另一方面接收各检测站反馈的有效数据并传输给上位机。程序中要处理检测站和身份识别卡的配置数据[6],包括操作系统值、各节点网络地址、有效数据长度、坐标数据长度和坐标数据等,其程序设计流程图如图2 所示。集中器接收、发送参考程序如下:

2.2 检测站设计

检测站为固定节点,其坐标位置(x,y)是固定的,核心模块选用CC2431,其中6 个检测站为1 组确定一个区域的定位,可正确地配置在定位区域中的位置。它可以提供一个包含自己位置x,y坐标和RSSI值的信息包给身份识别卡。程序设计部分处理的数据包括四个部分内容,分别是:RSSI请求(发送收集的RSSI值平均值给身份识别卡)、检测站信息配置(根据集中器发送的数据配置检测站的坐标,配置后数据将写入FLASH中)、检测站请求配置(发送检测站自身配置信息坐标给集中器)、收集RSSI值(多次收集自身和身份识别卡之间的RSSI值)[7],其程序设计流程图如图3 所示。

2.3 身份识别卡设计

身份识别卡是移动节点,可在井下任意区域移动,通过接收定位区域内所有检测站的RSSI值后,经过定位算法来计算其坐标位置。其核心模块由CC2431 芯片实现,可以实现0.25 m的定位分辨率,定位时间小于40 μs。身份识别卡可以与离自己最近的检测站通话,收集这些定位节点的x,y坐标和RSSI值,并根据这些信息和输入参数一起计算自己的位置信息,然后把这些信息反馈给检测站。这部分程序设计共包含5 个方面的信息:xy_RSSI请求、xy_RSSI应答、身份识别卡发现请求、身份识别卡信息配置、身份识别卡请求配置等,其程序设计流程图如图4 所示。

2.4 管理主机界面设计

本系统管理主机界面采用模块化设计,编程语言为VC++[8]。其主要用于设置检测站位置信息、接收检测站发送的身份识别卡信息、模拟井下环境和动态显示井下人员信息等。系统的主要功能模块包括实时显示、数据查询、身份识别卡管理、活动轨迹管理和系统维护等。系统模块组成如图5 所示。

每个功能模块的具体功能是:

(1)实时显示模块进行实时分析处理并显示当前井下各巷道人员分布等情况,当井下人员进入某个监测站的检测范围并被检测到时,管理主机界面即在矿井地图上相应的位置将该人员以闪烁红点的方式在屏幕上显示出来,同时标注该人员的ID号。

(2)数据查询模块主要完成通过各种条件对原始数据进行检索并汇总的功能,具体包括:查询井下人员的动态分布数量和情况,查询每一位井下人员当前位置或指定时间所处的位置,查询某一指定位置的人员情况等。

(3)身份识别卡管理模块包括身份编码分配、更新、统计汇总等。

(4)活动轨迹管理模块主要是记录井下人员活动轨迹,实现对井下人员活动范围及轨迹、停留时间及当前所处位置的管理,同时可生成报表打印等。

(5)系统维护模块主要是完成对整个管理系统进行初始化操作和对各种与系统相关的重要数据进行维护的功能,如基本信息维护,操作人员维护,巷道各监测站维护和数据库维护等。

3 结语

本系统利用CC2431 的定位引擎功能,在准确定位的同时也能及时掌握井下人员的工作状况,为预防事故、排查隐患、抢险救援等提供了方便,极大地减少了事故发生率和人员伤亡率[9⁃10]。但由于井下环境较差,系统运行中还存在一些不足之处,如在抗干扰、信号传输等方面需进一步完善。

参考文献

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[9]徐春妹,陈芳芳.井下人员定位系统[J].无线通信技术,2006(3):52-54.

zigbee的研究论文 篇10

ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率的无线接入技术,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[1]。

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[2],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[3]。

ZigBee协议栈采用分层结构[4],每一层都为其上一层提供一套明确的服务:数据实体提供数据传输服务,管理实体则提供其他所有的服务。每个服务实体都通过服务接入点为上层提供一个接口,每个服务接入点都支持一定数量的服务原语来实现所需功能。协议栈框架如图2所示,APSDE-SAP为数据实体接口,MLME-SAP为管理实体接口。ZigBee协议栈中,各层间数据的传输通过帧来实现,在PAN网络结构中定义了4种帧结构:信标帧、数据帧、确认帧及命令帧。不管是那种传输帧,发送时都是自协议栈高层向底层传输,从产生层向下每个协议层都为其增加自己的帧头和帧尾。接收时都是自底层向高层传输,从物理层向上依次去掉每个协议层的帧头和帧尾。

3 无线网络组网机制

3.1 建立一个新网络并将设备与网络连接

新的网络首先由协调器设备建立,启动时,协调器搜索附近其他协调器,如果没有发现协调器,它就通过发送NLME-NETWORK-FORMATION.request原语启动一个新的网络建立过程[2,3,4]。当建立网络过程开始后,协调器网络层将首先请求MAC层对协议所规定的信道,或由物理层所默认的有效信道进行能量检测扫描,设备网络层发送扫描类型参数设置为能量检测扫描的MLME SCAN.request原语到MAC层进行信道能量检测扫描。扫描结果通过MLME SCAN.confirm原语返回。当网络层管理实体收到成功的能量检测扫描结果后,将以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序,并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的信道,选择可允许能量水平的信道有待处理。此后网络层管理实体发送MLME SCAN.request原语执行主动扫描,搜索所有的ZigBee设备。为了决定用于建立一个新网络的最佳通道,网络层管理实体将检查PAN描述符确保所给定的个域网标识符不会与所选择的信道的现有标识符参数产生冲突,如果冲突那么可能从给定的信道中选择另外一个信道。如果找到了适当的通道,则将为这个新网络选择一个PAN标识符。一旦选定了PAN标识符,将选择一个等于0x0000的16位网络地址,并且设置MAC层的地址PIB属性,将其设置为该值。分配地址后,将通过MAC层发出MLME START.request原语开始运行新的个域网,NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语返回网络已经形成的确认。

通过NLME PERMIT JOINING.request原语允许其他设备与网络连接,该原语允许ZigBee协调器或路由器上层设定其MAC层连接允许标志,在一定期间内允许其他设备同网络连接。仅仅只有ZigBee协调器或路由器才能企图允许设备与网络连接,如果终端节点设备的网络层管理实体收到该原语时,则返回状态为INVALID-REQUEST的NLME PERMIT JOIN-ING.confirm原语。NLME PERMIT JOINING.request原语激发网络层向MAC层发送MLME SET.request原语完成MAC层若干属性设置,MAC层通过MLME SET.confirm返回结果,网络层通过NLME PERMIT JOINING.confirm返回设置结果,允许设备同网络连接。

3.2 子设备连接网络

当网络建立并允许新设备接入时,子设备可以通过两种方式加入网络:

(1)利用MAC子层关联接入程序加入网络;

(2)通过应用层预先指派的父设备直接加入网络。

在这两种方式的基础上,协议定义了四种接入方法:关联接入、利用网络层再接入命令再接入网络、网络直接接入和以孤点方式连接或重新连接网络[2,3,4]。

关联接入是新设备接入ZigBee网络的主要途径关联接入过程中,请求入网的子设备首先由应用层向底层发出NLME NETWORK DISCOVERY.request原语在网络通信发起网络发现操作,在预先设定的一个或多个信道上通过主动扫描和被动扫描搜索邻居网络的信息。一旦完成主被动扫描,底层通过NLME NET-WORK DISCOVERY.confirm原语将邻居信息返回给应用层。应用层也可以选择重新执行网络发现命令,以便发现更多的网络。

如果不重新执行发现任务,将从发现的网络中选择一个网络进行连接,即通过发送NLME JOIN.request原语以直接或联合方式请求连接网络,没有连接的设备会在邻居表中选择一个适当的父设备请求连接。父设备在收到关联接入请求后,首先在其邻居表中查找子设备的64位IEEE地址是否已经存在,若存在,则把对应的16位短地址分配给子设备,若不存在,则分配一个新的16为短地址给子设备,然后将该地址通过关联接入应答原语NLME JOIN.confirm发送给子设备,同时更新其邻居表和路由表。子设备收到关联接入确认后,更新自己的16位短地址和邻居表,完成关联接入过程。

网络形成及子设备关联接入流程如图3所示。

4 无线组网实验

本实验采用3个节点完成无线环境区域内的星型组网连接,网络设备包括一个全功能设备和两个简单功能设备[5,6,7]。实验中,节点硬件采用相同构成,采用Microchip公司开发的ZigBee实验平台,协议栈采用该公司对应的软件程序。终端和星型网络协调器功能差异由软件实现,完成终端采集温度数据而协调器收集数据的任务[8,9,10]。其中,两个终端加入网络的过程相同,遵循上节所述过程,协调器串口输出如图4所示。

5 结语

本文分析了使用ZigBee协议组成无线网络的过程,通过实验证明了ZigBee协议栈能够形成稳定可靠的ZigBee无线网络。用户可以根据使用环境选配不同的传感器,并选择所需的拓扑结构,实现不同应用环境不同拓扑结构的无线传感器网络,如覆盖面积较大可选择多跳路由方式传递数据,即将本实验协调器作为协调器和路由器继续向上级传输数据。该系统可以应用于军事监测、智能家居、工农业生产等领域,为监测环境区域参数提供了强而有效的方案。

参考文献

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zigbee的研究论文 篇11

关键词：Zigbee　电梯　远程监控

中图分类号：TM937　文献标识码：A　文章编号；1674-098X(2012)01(c)-0027-02

1　引言

随着社会的进步，经济的快速发展，我国电梯的保有量呈现爆发式增长的局势。截至2010年底，我国电梯的数量达到160万台左右，并且还在以每年20％以上的速度快速增长。电梯作为特种设备之一，在人们日常生活中发挥着越来越重要的作用。但由于种种原因，电梯的安全事故不断发生，如北京“7.5”北京地铁自动扶梯事故，使得电梯安全问题越来越受到社会各方面的广泛关注。作为电梯的监管部门，如何找到经济有效的技术手段，对电梯实施安全监管，成为摆在监管部门面前的一个重要课题。

2　Zigbee技术简介

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度，低功耗、低速率、低成本的雙向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。zigbee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，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbeo网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

Zigbee网络通常由三种节点构成：Coordinator：用来创建一个Zigbee网络，并为最初加入网络的节点分配地址，每个Zigbee网络需要且只需要一个Coordinator；Router：也称为Zigbee全功能节点，可以转发数据，起到路由的作用，也可以收发数据，当成一个数据节点，还能保持网络，为后加入的节点分配地址；End Device：终端节点，通常定义为电池供电的低功耗设备，通常只周期性发送数据，不接收数据。

3　Zigbee技术在电梯远程监控中的应用

如上图1所示，电梯远程监控选用串口转无线的Zigbee数据传输模块DRF1605H，其无线传输视距最大可达1.6公里。该模块可以自由设置为从模块或主模块，从模块用于从电梯终端设备采集数据并通过Zigbee方式发送至主模块，主模块用于接收数据。主模块接收的数据通过RS232转TCP/IP模块进入互联网，监控中心通过互联网访问联网电梯设备状态信息，从而实现电梯的远程监控。

4　监控数据的传输

电梯远程监控的信息由电梯运行信息、层站信息，安全回路状态信息。故障状态信息、消防状态信息等。Zigbee的数据传输有透明传输和点对点传输两种方式，这里选择用点对点传输方式。此方式适用于任意节点间数据传输：数据传输的格式为：OxFD+数据长度+目标地址+数据。如发送：FDOA14 3E01 02 03 04 05 06 0708 09 10

其中，FD：数据传输指令

0A：数据区数据长度，共10个字节

14 3E：目标地址

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10：数据

接收数据格式：0x FD+长度+目标地址+数据+源地址

如接收到的数据为：FDOA14 3E01 0203 04 05 06 07 08 09 1050 F5

其中，FD：数据传输指令

0A：数据区数据长度，共10个字节

14 3E：发送方的目标地址，接收方本身地址

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10：数据

50 F5：发送方源地址

5　结语

zigbee的研究论文 篇12

教学互动反馈系统（Classroom Teaching Interactive Response System,CIRS）是透过电子载具（遥控终端），实现课堂中学生与教师互动交流，以图表方式实时显示反馈信息的教学应用系统。CIRS能够调动学生的学习积极性，增强师生课堂互动，帮助教师及时获得学生反馈信息，及时调整教学活动，提高教学效率与质量。国外教育机构从上世纪90年代就开始了CIRS的研究，此种系统已经在欧美及港台地区有十余年的应用历史。据不完全统计，在美国，学校使用此种系统的普及率达到30%以上，在英国达到35%以上，在加拿大达到50%以上，其中包括高等院校和中小学，CIRS的教学效果已经得到教育界的普遍认同。CIRS近年来开始在我国高校及中小学中应用，国内开始有相应的产品上市。

1 国内CIRS产品发展现状及趋势

1.1 硬件技术落后，成本居高不下

目前，国内市场上销售的CIRS产品采用的技术主要有红外、蓝牙、Wi-Fi、WUB等。红外技术是早期采用的技术，可靠性低、信号传输受距离及教室结构影响较大，可并发的终端数量限制较多，属于淘汰的技术。蓝牙、Wi-Fi、WUB等技术过于复杂，应用到CIRS产品中技术冗余过大，导致产品成本居高不下。目前，国内市场上销售的CIRS产品每个遥控终端售价在200-300元左右，制约了产品的推广和普及。而基于ZigBee技术的CIRS产品每个遥控终端的生产成本可以控制在50元之内，具有较强的市场竞争力。

1.2 应用层软件功能匮乏

目前，市场销售的CIRS产品普遍存在应用层软件功能匮乏的缺陷，大多数企业把产品研发的重心放在硬件系统实现上，应用层软件缺少深入的教学需求分析，仅能满足学生课堂回答问题等简单需求，对系统采集的数据缺乏深入的分析和数据挖掘，未能充分发挥数据对教学分析、实时性教学评价、总结性教学评价、教学管理、有针对性的教学方案制定以及教学资源优化等方面的优势。

1.3 CIRS产品的发展趋势

就硬件系统而言，并发性高、实时性强、可靠性高、容量大、成本低廉是CIRS产品未来发展的趋势，系统开发的核心在于引进先进且经济可行的新技术。就软件系统而言，CIRS应该围绕教学互动、教学测评、教学分析、教学评价、教学方案制定、学生考勤、教学管理等问题进行深层次的数据挖掘，面向教师用户提供更加丰富的功能。其开发过程必须建立在深入教学需求调研的基础上，同时，可针对大学和中小学的差异开发不同版本的应用层软件，根据用户需求进行软件定制，满足用户的个性化需求。

2 ZigBee技术特点

ZigBee是近年快速发展起来的一种近距离无线通信技术，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，传输距离在10-75m的范围内。ZigBee技术具有下列特征：

2.1 适合于小数据量传输

跟其它无线通信技术相比，ZigBee数据传输速度较慢，适合于小数据量传输的无线通信系统，这能够更好的满足CIRS遥控终端和主机之间小数据流量的要求。

2.2 低功耗

ZigBee芯片发射功率仅为1mW，并且采用了休眠技术，功耗低，适合于长时间处于待机状态的终端设备，基于ZigBee技术的遥控终端仅靠两节干电池即可实现6个月到2年的工作时间，跟其它无线通信技术相比，优势明显。

2.3 低成本

ZigBee通过大幅简化协议降低了对通信控制器的要求，其协议代码不到蓝牙的1/10，以8051的8位微控制器测算，全功能主节点仅需32KB代码，子功能节点可以低至4KB左右，ZigBee免协议专利费，每块芯片的价格大约为2美元。

2.4 时延短

ZigBee的搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备通道接入时延15ms，适合于实时性要求苛刻的无线控制系统。

2.5 网络容量大

一个星型结构的ZigBee网络最多可容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且组网方式灵活。

2.6 高可靠性

ZigBee技术采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，数据包以确认方式进行传送，若出现校验错误则必须进行重发处理。

2.7 安全性高

ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性校验技术，支持鉴权和认证，采用了AES-128加密算法，各种应用可以灵活确定其安全属性。

3 系统设计

CIRS系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计两部分，分别论述如下：

3.1 硬件系统设计

3.2 软件系统设计

Microsoft公司的PowerPoint是目前教学中广泛使用的教学演示软件，功能强大，使用方便。本项目开发的CIRS应用层软件基于PPT插件开发，能够实时地把学生反馈信息以直方图、饼图等形式显示在PPT演示文稿中，增强教学的交互性。此外，系统集讲课、提问、测验、评分、教学分析、教学评估以及考勤等教务管理功能于一体，通过教学信息深层挖掘，实现实时性和总结性评价功能，便于教师有针对性地开展教学活动。

4 结语

教学交互反馈系统是支持互动教学的一项重要的现代教育技术，ZigBee是当前热门的短距离无线通信技术，基于该技术开发的教学交互反馈系统具有高性价比、高可靠性、短时延、高容量等优势，对教学交互反馈系统的普及和推广具有重要的意义。

摘要：教学互动反馈系统是通过无线遥控终端,实现课堂中学生与教师互动交流,以图表方式实时显示学生反馈信息的教学应用系统。ZigBee是当前先进的无线互联技术,具有功耗低、时延短、容量大、可靠性高、成本低等特点,基于ZigBee技术的教学交互反馈系统具有较好的性价比,本文探讨了教学互动反馈系统的设计与实现技术。

关键词：教学交互系统,ZigBee,无线互联

参考文献

[1]基于IRS的课堂测评系统的设计与应用研究.现代教育技术,2011(01).

[2]基于手持设备的英语教学支持系统的研究.中国教育信息化,2009(19).