Microcomputer Applications Vol. 27, No.3, 2011 技术交流 微型电脑应用 2011年第27卷第3期 58
省委书记秘书文章编号：1007-757X(2011)03-0058-04
侯雷 张艳芹
摘 要：以ZigBee 为代表的低速率无线局域网与IEEE 802.15.4标准相结合，实现无线传感器网络WSN 和Internet 的互通，是WSN 的发展方向。通过对ZigBee 和IEEE 802.15.4的分析研究，并针对IEEE 802.15.4规范规定的物理帧、MAC 帧的具体格式，进行了仿真关联平台的设计，为ZigBee/IEEE 802.15.
4网络设计打下了坚实的基础。ZigBee 网络的应用配置、性能分析和改进优化等，也是今后研究的方向。 关键词：无线传感器网络；ZigBee ；IEEE 802.15.4；协议； 中图分类号：TP393 文献标志码：A
0 引言
随着移动通信技术的迅速发展，主流的宽带接入技术包括：固定宽带无线接入技术(Fixed Broadband Wireless Access ，FBW A)、无线局域网(Wireless Local Area Network ，WLAN)和无线个域网(Wireless Personal Area Network ，WPAN)。其中WPAN 的发展使得人们摆脱电缆束缚，在近距离内实现各种设备间的通信。基于ZigBee 无线接入技术的WPAN 更以其低成本、低功耗等特有的优势成为无线接入领域的又一颗耀眼的新星，给现代信息社会中人们的工作和生活方式带来一场新的革命。 1 ZigBee 技术的概述 1.1 什么是ZigBee 无线传感网络是一种新兴的技术，是目前研究的热点之一。大多数的无线传感网络都有功耗小的特点，ZigBee 技术的出现正好了满足这样的要求。ZigBee 技术（属于无线个域网范畴）是一种新型的应用于短距离范围内，低速率传输的无线通讯技术，主要具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好等特点，主要适用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其MAC 层和PHY 层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层由ZigBee 技术联盟制定，应用层的开发可以由用户根据自己的需求进行，因此该技术可以为用户提供灵活地组网方式。 ZigBee 是近几年提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本、低 数据传输速率的双向无线通讯技术，是满足
小型廉价无线网络联网和控制而制定的。与其他的无线通信
标准相比，ZigBee 适用于数据吞吐量较小、网络建设投资
小、网络安全性高、不便于频繁更换电源的场合。在工业控
制领域利用传感器基于ZigBee 技术组成传感器网络，可以
使得数据采集和分析变得方便和容易。ZigBee 用于传感网
络的组建很重要的一点在于它的低功耗。其发射功率仅为
0-3.6dbm ，通讯距离可达30～70m ，具有能量检测和链路质量指示能力，设备可以自动地对自身的发射功率进行调
整，可以在保证通信链路质量的前提下的消耗最小能量。
1.2 ZigBee 网络的拓扑结构
ZigBee 主要采用了三种组网方式，星型网、对等网及
混合网（图1星型网和对等网示意图）
。在星型网中，一个功能强大的主器件作为网络协调者，位于网络的中心，其它
的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。由于网络协调者定
义了整个网络的时分复用和多址接入方式，因此星型网的控
制和同步都比较简单，通常用在设备数量比较少的场合。对
等网是由主器件连接在一起形成的，又可分为点对点和簇树
两种结构。星型网和对等网相结合则形成了混合网，各个子
网内部以星型连接，其主器件又以对等的方式连接在一起。
信息流首先传到同一子网内的主节点，通过网关节点到达更
高层的子网，随后继续上传直至到达中心采集设备，中心采
集设备与普通的WPAN 设备相比具有更强的处理能力和内
存容量。混合网可以用于覆盖范围比较大的区域，例如在豪
华星级宾馆中，各个房间设置一个主器件与房间内的其他从
器件以星型方式相连，所有主器件又以对等的方式连接起
来，就形成了—个大的混合网络。
对等网
______________ 作者简介：侯雷（1986-），男，江苏徐州人，徐州工程学院，硕士研究生，讲师，主要研究领域为：网络协议、传感器网络
张艳芹（1979-），女，江苏徐州人，徐州工程学院，硕士研究生，讲师，主要研究领域为：网络协议、传感器网络
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对等网
图1 ZigBee 拓扑结构 1.3 ZigBee 技术的特点
1）功耗低。由于工作周期很短、收发信息功耗较低、
并且采用了休眠模式，ZigBee 技术可以确保两节五号电池
支持长达6个月到2年左右的使用时间。 2）可靠。采用了冲突的避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
3）成本低。因为Zigaee 数据传输速率只有20kbps 到
250kbps ，专注于低传输速率的应用，其协议简单，并且
ZigBee 协议免收专利费，所以大大降低了成本。
4)时延短。
通信时延和从休眠状态到激活状态的时延都非常短，设备搜索时延典型值为30ms ，休眠激活时延典型
值是15ms ，活动设备信道接入时延为15ms 。 5)网络容量大。一个ZigBee 网络可以容纳最多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。 6)有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 7)工作频段灵活：使用的频段分别为2．4GHz 、 915MHz(美国)及868MHz(欧洲)，均为免执照频段。
8)安全：安全性对于ZigBee 设备来说很重要，例如安
全系统、办公自动化和工业传感器网络都十分注重设备的安
全性。ZigBee 标准给出了3种不同的安全级别：无安全，
接入控制列表和带认证的32bit 到128bitAES 加密，其安全
机制能有效防止数据被破坏、窃取和篡改。 1.4 ZigBee 的应用领域 为了推动ZigBee 技术的发展，Chipcon 与Ember 、
Honeywell 、Freescale 、Mistubishi 、Motorola 、Philips 和
Samsung 等公司共同成立了ZigBee 联盟，目前该联盟已经
包含130多家会员。ZigBee 的目标市场有：PC 外设、家庭
自动化、智能玩具、工控、医护等领域。 1）工控领域 基于ZigBee 技术的无线传感器网络，能够自动采集数
据，并对数据进行分析和处理；可应用在危险化学成分的检测，工厂机器状态的检测，火灾的预警等方面。由于这些应用不需要实时传输和连续更新，因而功耗很低，从而很大程度上延长了电池的使用时间，减少了对ZigSee 网络的维护成本。 2）医护领域 需要对重病和病危患者的血压、心跳和体温等信息实时监控，医生可以借助于各种传感器和ZigBee 网络，及时获得这些信息，从而做出快速反应。
3）家庭内智能控制领域 利用传感器和ZigBee 网络，使建筑物内电器实现无线连接，通过遥控达到远端控制之目的，家居生活更加个性化
与自动化，使居住者感到舒适与方便。 2 ZigBee 与IEEE 802.15.4
2.11 IEEE 802.15.4网络标准详解
IEEE 802.15.4标准包括低速无线个域网(LR-WPAN)的
物理层和MAC 层两个规范，它支持消耗功率最少，一般在
个人活动空间（10米直径或更小范围)工作的简单器件。IEEE 802.15.4标准支持两种网络拓扑，即单跳星状和多跳对等拓扑，多跳对等拓扑应用于通信线路超过10米的情况，并由网络层定义其逻辑结构。LR-WPAN 中的器件既可以使用唯一的64位IEEE 地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。 2.1.2 物理层
1)物理层的基本功能
物理层定义了无线信道和MAC 之间的接口，提供物理
层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理
信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数
据组成的数据库。物理层数据包括以下五方面的功能：（见
图2） 1）激活和休眠射频收发器； 2）信道能量检测(energy detect)； 3）检测接收数据包的链路质量指示； 4）空闲信道评估(CCA)； 5）收发数据。
前导码（4）起始帧分隔
符（1） 帧长度（1）MAC 数据单元 同步头 PHY 头 物理层服务单元 物理层协议数据单元(11+(0 to 20)+n Bytes)
图2 物理帧基本结构
信道能量检测为网络层提供信道选择依据，它主要测量
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目标信道中接收信道功率的强度，由于这个检测本身不进行
解码操作，所以检测结果是有效信号功率和噪声信号功率之
和。
链路质量指示为网络层或者应用层提供接收数据帧时
无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它
要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标和物理层数据
单元一道提供给上层处理。
空闲信道评估判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4定义
了三种空闲信道评估模式：第一种简单判断信道的信号能
量，当信号能量低于某一个门限值就认为信道空闲；第二种
广州市蓝天中学是通过无线信号特征，这个特征主要包括两方面，即扩频信
号特征和载波频率；第三种是前两种的综合给出判断。 2.1.3 MAC 子层 在IEEE 802系列标准中，OSI 参考模型的数据链路层进一步划分为MAC 和LLC 两个子层。MAC 子层（图3为
MAC 帧基本结构）使用物理层提供的服务实现设备之间的
数据帧传输，而LLC 层在MAC 层基础上，在设备间提供
面向链接和非链接的服务。MAC 子层提供两种服务：MAC
层数据服务和MAC 层管理服务。前者保证MAC 协议数据
单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC 子层协议状态相关信息的数据库。MAC 子层主要功能包括下面5个方面： 1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧
与协调器同步； 2）支持PAN 网络的关联和取消关联操作；
3）支持无线信道通信安全；
4）使用CSMA-CA 机制访问信道；
5）支持不同设备的MAC 层间可靠传输
帧控制
域（2） 数据序列号（1） 地址信息（0 to 20）
帧负载（n ） 校验域（2） MAC 帧头
负载 帧尾 前导码（4） 起始帧分隔符（1） 帧长度（1） MAC 层数据单元 (5+(0 to 20)+n Bytes) 图3 MAC 帧基本结构
2.2 ZigBee 与IEEE 802.15.4的关系
对于无线传感器网络的要求与民用场合有很大区别，它
通常对数据吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，简单
方便、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要布置大量的
无线接入点，而低廉的价格将起着关键作用。所以ZigBee
标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和
低复杂度的无线收发器。要考虑的核心问题是低功耗和低价
格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的
应用。因此，从无线传感器网络所要求的低功耗、低成本、网络容量以及安全性的要求上，IEEE 802.15.4/ZigBee 无疑是最合适的选择[6][7]。 ZigBee 和IEEE 802.15.4两者之间的区别和联系(见图4)如下[8]： 1）ZigBee 完整而充分地利用了IEEE 802.15.4定义的功能强大的物理特性优点； 2）ZigBee 增加了逻辑网络和应用软件； 3）ZigBee 基于IEEE 802.15.4[9][10]射频标准，同时ZigBee 联盟通过与IEEE 紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案； 4）IEEE 802.15.4工作组主要负责制定物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)[11]标准，
而ZigBee 负责网络层、安全层以及应用层的开发。
图4 ZigBee 与IEEE802.15.4标准区别与联系 2.3 ZigBee 与IEEE 802.15.4的仿真设计 新建一个ZigB
ee 网络时，协调器首先对信道进行能量检测，然后根据能量检测的结果，选择可用的一个空闲信道作为该网络的通信信道。一旦选择合适的信道后，全功能设备可以对信道进行主动扫描(Active Scan)，发出信标请求。如果全功能设备是协调器，在新建一个网络时，通过信道扫描可以防止网络标识符(PANID)冲突；如果全功能设备是子设备，通过信道扫描则可以获取加入网络的
PANID 。简化功能设备只能对信道进行被动扫描(Passive Scan)
，它不发出
信标请求，只是通过接收到的信标帧来获取网络的信息。
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信道扫描完成以后，协调器通过一定的算法选择合适的PANID 便可以新建一个网络.，此时，协调器通过发送信标帧来指示该网络的存在。新设备接入网络的过程称为关联接入[12][13]（图5为一次成功的关联接入过程）。 在关联接入过程中，请求入网的子设备首先发起网络发现操作，在预先设定的一个或多个信道上通过主动扫描或被动扫描搜索信标，并将有用信标信息记录在邻居表中。完成整个网络发现操作后，子设备根据邻居表记录的内容选择合适的网络和父设备，
并发出关联接入请求。父设备在收到关联接入请求后，首先在其邻居表中查子设备的64位IEEE
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地址是否已经存在，如果存在则把对应的16位短地址分配
给子设备；若不存在则分配一个新的16位短地址给子设备，
然后将该地址通过关联接入应答发送给子设备，同时更新其
邻居表和路由表。子设备在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。
当然，关联接入过程也会由于种种原因被意外中止，例
如：子设备在所有信道上搜索不到信标或搜索到的信标显示
该网络暂时不接收新设备加入；父设备的16位短地址资源
已经耗尽，无法给子设备分配地址；关联接入请求或关联接
入应答没有发送成功。此时，子设备必须重新发起关联接入
过程。
另外，一旦关联到网络，子设备还可以通过执行解除关
联过程来与网络解除关联。需要的话，协调器也可以启动解
除关联过程来强制节点离开网络[14]。
图5 一次成功的关联接入过程示意图 3. 总结与展望
ZigBee 协议规范基于IEEE802.15.4标准，主要面向低成本、低功耗、低数据传输率的网络应用，目前已经在多种领域取得应用成果。但是由于ZigBee 技术比较新颖，ZigBee 协议规范及其应用仍在不断的完善和发展之中，对于ZigBee 网络的应用配置、性能分析和改进优化等研究仍处在起步阶段，这也是我们今后不断努力研究的方向。 参考文献 [1]雷震洲.面向低速率应用的全球标准ZigBee[J].现代电信科技,2004,No.12:2~5. [2]王权平，王莉.ZigBee 技术简析[J].通信世界,2003,(4). [3]王锐华，于全.浅析ZigBee 技术[J].电视技术，2004 No.6:33~35.
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[12]ZigBee Standards organization. ZigBee Speification,
Version 07. ZigBee Alliance, 2005
[13]ZigBee Standards organization. ZigBee Speification,
Version 13. ZigBee Alliance, 2006
[14]David Flowers, Kim Otten, Nilesh Rajbharti. Microchip
Stack for the ZigBee Protoeol. www.mierochip
（收稿日期：2010-06-03）
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