基于ZigBee技术的无线通信浅析
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作者:丁国明
摘要：ZigBee技术是一种短距离、低功耗、低成本的短距离无线通信技术，可嵌入到各类控制装置、传感器、消费性电子设备中，支持小范围内基于无线通信的控制和自动化，现被广泛应用到工业、农业、医学、交通、家居、消费等领域。该文基于对ZigBee技术特点和ZigBee协议架构介绍，分析ZigBee技术在无线通信中的应用。
关键词：ZigBee技术;无线通信;应用
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）27-0022-02
Abstract：ZigBee technology is a short-range， low-power and low-cost wireless communication technology，it can be embedded in various control devices，sensors，consumer electronic devices， toys，support a small range of wireless communication based control and automation.Its widely used in industry， agriculture， medicine，transportation， household， consumption and other fields.Based on the introduction of ZigBee technology features and ZigBee protocol architecture， this paper analyzes the application of ZigBee technology in wireless communication。
Key words： ZigBee technology; wireless communication; application
ZigBee技術是一种基于IEE802.15.5协议，低功耗实现短距离信息传输的无线通技术。ZigBee技术具有时延短、成本低、功耗低、数据传输可靠性高、安全性高、兼容性高、安全性高等特点。因此在市场上被广泛应用。
1 ZigBee协议的整体架构
ZigBee协议遵循IEEE802.15.4协议栈结构，从下至上包括物理层、MAC层、网络层、应用层四个层次，每个层完成其相应的工作任务，并未协议栈的上一层提供服务。
1）物理层规范
物理层是ZigBee技术的物理连接层，其主要的工作内容包括：管理数据传输和架空数据出错率，从而使得物理层之上的MAC、网络和应用层对ZigBee技术中的比特流传输透明。
具体而言，物理层规范的工作包括如下几个方面：
（1）启动和关闭RF数据收发器;
（2）选择通信信道频率;
（3）对网络中的信道能量进行监测;
（4）为CSMA/CA信道竞争策略提供空闲信道的评估结果;
（5）对所接受的数据进行质量指示;
（6）接受和发送网络中传输的数据包。
在ZigBee技术中，定义了2.6GHz、916MHz、868MHz三个物理层数据包格式君基于直接序列扩频的频道，三个频道的区别主要在于工作频率、调制技术和传输速率。其中，2.6GHz是全球统一频段，915MHz是美国国内选用的频段，868MHz是欧中所选用的频段。
2）MAC层规范
MAC层规范烟用CSMA/CA技术，以保证数据安全性，和实现ZigBee技术与其他网络通信技术的兼容，方便ZigBee通信技术与其他网络的结合。
具体而言， MAC层主要实现如下几个方面的内容：
（1）产生并发送信标帧，以保证双方通信;
（2）为ZigBee技术提供时隙保障;
（3）实现通信双方的同步;
（4）支持设备的安全性;
（5）通过CSMA/CA竞争机制，实现多用户的物理通信共享;
（6）支持PAN网络的关联和取消。
总之，MAC层的重要作用就是为通信双方提供一条可靠的数据链路。MAC层为ZigBee协议栈的上一层提供的服务支持包括管理服务和数据服务两类，其中管理服务是对MAC层协议相关信息进行存储和管理;而数据服务用以保证MAC层为上一层提供的数据准确性。
3）网络层规范
ZigBee技术的网络层包含了ZigBee网络中的邻居设备节点，其主要实现ZigBee网络的连接和通断机制，网路设备的发现、转交和维护，以及提供网络安全机制。
具体而言，网络层协议的主要实现如下几个方面的内容：
（1）在网络构建时，加入协调器，建立ZigBee通信网络，并实现新设备参数配置;
（2）发现和记录网络邻居节点;
（3）支持新ZigBee通信节点的动态接入，并为其动态分配网络地址;
（4）提供ZigBee通信节点与ZigBee网络的连接或断开功能;
（5）设置接收器的接收时间和状态，以确保MAC层数据的接收和同步正常;
（6）在接收数据时，网络对MAC层提供的数据包进行解析，获取网络传输数据包的数据部分;
（7）提供数据包路由功能，若ZigBee节点接收到的数据为数据包传输的目标节点，则接收数据包，并对数据包进行处理;否则根据网络层的邻居节点信息表，进行网络数据包的转发。 网络层为应用层提供数据传输服务和网络管理服务，连接了ZigBee的MAC层和应用层之间。
4）ZigBee应用层规范
ZigBee应用层分为设备、应用框架和应用支持三个子层， 三个子层一起为基于ZigBee通信的各种应用软件提供数据传输接口。
（1）ZigBee设备对象
设备对位于应用框架子层与应用支撑子层之间，为应用支持子层、应用对象提供统一的通信接口。ZigBee设别对象所提供的功能包括如下几个方面。
① 安全服务的提供者、对网络层和应用层的初始化操作。
② 在无信标的网络中，新加入的节点只可对其父节点可见，而其他的节点可以通过网络发现来发现新加入的节点。
③ 实现网络的管理和维护。
④ 创建和传输安全密钥，完成安全授权。
⑤ 对于路由器和协调器，提供绑定信息、获取路由、网络监控等节点管理功能。
⑥ 绑定功能的管理，确定绑定表的大小，以及发起和解除绑定。
（2）应用框架
应用框架为ZigBee网络中的设备提供了活动的环境，并且为每一个设备提供MSG服务和KVP服务。
（3）应用支持子层
应用支持子层是应用层与网络层之间的接口，其功能包括：
①应用层数据单元的处理。
②提供网络中两个或者两个以上应用实体之间的数据通信。
③维护管理对象数据库，为应用对象提供多种对象管理数据库。
2 总结
ZigBee技術具备无线快速组网、性能良好、功耗较低等优点，同时具备不需要布线、硬件成本以及具有较高的灵活性和可扩展性的强大优势，基于ZigBee技术建立的无线通信网络能够很好的满足工业、农业、交通、医学、家居与消费等领域的需求，对无线通信的研究和推广具有理论和现实意义。
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