ZigBee无线通信协议实现技术的研究

ZigBee无线通信协议实现技术的研究

ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用２００７，４３（６）１４３

ＺｉｇＢｅｅ无线通信协议实现技术的研究

任秀丽１，２，于海斌２

ＲＥＮＸｉｕ－ｌｉ１，２，ＹＵＨａｉ－ｂｉｎ２

１．吉林师范大学计算机学院，吉林四平１３６０００２．中国科学院沈阳自动化研究所，沈阳１１００１６

１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ，ＪｉｌｉｎＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｉｐｉｎｇ，Ｊｉｌｉｎ１３６０００，Ｃｈｉｎａ

２．ＳｈｅｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ１１００１６，ＣｈｉｎａＥ－ｍａｉｌ：ｒｘｌ＠ｓｉａ．ｃｎ

ＲＥＮＸｉｕ－ｌｉ，ＹＵＨａｉ－ｂｉｎ．ＳｔｕｄｙｏｆｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｎＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ．ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（６）：１４３－１４５．

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｍａｎｙｎｅｗｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｃｏｍｅｆｏｒｔｈ．ＴｈｅｒｉｓｉｎｇＺｉｇＢｅｅｈａｓｂｅｅｎａｇｏｏｄａｐｐｌｉｅｄｆｉｅｌｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｒｅｉｓａｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｔｕｄｙｆｏｒＺｉｇＢｅｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａｎｄｇｉｖｅｔｈｅｄｅｔａｉｌｅｄｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｅｔｗｏｒｋｌａｙｅｒｓｏａｓｔｏｓｕｐｐｏｒｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｔｓｓｏｆｔｗａｒｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ＺｉｇＢｅｅ；ｐｒｏｔｏｃｏｌ；ｒｏｕｔｉｎｇ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

摘

要：随着无线通信技术地迅速发展，新的技术不断出现。当前新兴的ＺｉｇＢｅｅ技术具有很好的应用前景。针对ＺｉｇＢｅｅ无线通信

协议的实现进行了全面地剖析和研究，给出了网络层协议实现技术的细节，以便支持其实现软件地开发。关键词：无线通信；ＺｉｇＢｅｅ；协议；路由；算法文章编号：１００２－８３３１（２００７）０６－０１４３－０３

文献标识码：Ａ

中图分类号：ＴＰ３９３

１引言

近几年来，随着无线移动通信技术地迅速发展，新的技术

感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

不断出现。从蜂窝移动通信到宽带接入，再到无线局域网，使世界在这张无线的大网中变得越来越小。红外、蓝牙和ＨｏｍｅＲＦ、

ＺｉｇＢｅｅ技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了

它适合于承载数据流量较小的业务。本文针对ＺｉｇＢｅｅ技术的

实现细节进行了剖析和研究，给出了网络层协议实现技术的细节，以便支持其实现软件的开发。

８０２．１ｌ等技术的出现又推动了无线个人域网（ＷＰＡＮ）的向前发

展。

目前的无线通信技术主要致力于如何提高通信速率，而相对于简单无线连接的应用领域，如工业现场各种传感器的参数收集等，由于数据传输量小，并不需要很高的传输速率。如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术将消耗很多能量，并且占用过多的计算和通信资源，同时也增加了设备成本。因此，迫切需要一种低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。为了满足这种要求，在２００２年８月，由英国Ｉｎｖｅｎｓｙｓ公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司成立了ＺｉｇＢｅｅ联盟，并于２００４年１２月，正式公布了无线通信技术ＺｉｇＢｅｅ的１．０标准。

低复杂度、低功耗、低速率、低ＺｉｇＢｅｅ技术是一种近距离、

成本的双向无线通信技术［１，５］。工作在２．４ＧＨｚ的ＩＳＭ频段上，传输速率为２０ｋｂ／ｓ－２５０ｋｂ／ｓ，传输距离为１０ｍ－７５ｍ。主要适合于工业控制、传感和远程控制领域。它依据ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传

２ＺｉｇＢｅｅ的协议体系结构

为了遵循国际标准组织（ＩＳＯ）开放系统互连（ＯＳＩ）参考模式，ＺｉｇＢｅｅ联盟采用了ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准定义的单一的ＭＡＣ层和多样的物理层，它制定了ＭＡＣ层以上的协议，其协议体系结构［２，４］如图１所示。

２．１物理层

ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准定义了两个物理层，分别是８６８ＭＨｚ／９１５ＭＨｚ物理层和２．４ＧＨｚ物理层，两个物理层都使用相同的数据帧格式［３］，如图２所示。采用直序扩频技术ＤＳＳＳ（Ｄｉ－ｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ，ＤＳＳＳ），降低了数字集成电路

的成本。不同之处在于它们的工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。８６８ＭＨｚ是欧洲的ＩＳＭ频段，它只有一个信道，传输速率为２０ｋｂｐｓ；９１５ＭＨｚ是美国的ＩＳＭ频段，它有１０个信道，传输速率为４０ｋｂｐｓ，它们都采用ＢＰＳＫ调制方式。这两

基金项目：国家自然科学基金（ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．６０３７４０７２）；国家高技术研究发展计划（８６３）（ｔｈｅ

ＮａｔｉｏｎａｌＨｉｇｈ－ＴｅｃｈＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｌａｎｏｆＣｈｉｎａｕｎｄｅｒＧｒａｎｔＮｏ．２００４ＡＡ４１２０２０）。

作者简介：任秀丽，副教授，博士后，主要研究方向为无线网络与通信；于海斌，研究员，博士生导师，主要研究方向为工业通信、人工智能。

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