基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台的研究

发布者:云自南国来最新更新时间:2021-03-03 来源: eefocus关键字:ZigBee技术  嵌入式  无线网络平台 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

0 引言

无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术,是目前国内、外研究的热点技术之一.该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术,工作在2.4 GHz或868/928 MHz,用于个人区域网和对等网状网络.ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案.主要用于近距离无线连接.它依据802.15.4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.相对于现有的各种无线通信技术,无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术.这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展,市场前景广阔.包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作.因此,本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台,这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。具有广泛的适应性。并能弥补其他无线通信技术的不足,保证其安全性,降低服务成本.


1 应用环境的确定

基于ZigBee技术的无线网络平台是构建于采用ARM技术和嵌入式Linux技术相结合的应用环境中.


1.1无线标准的比较

随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加.相对于现有的各种无线通信技术。ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术.同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务.所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等.


1.2 ZigBee协议栈模型

ZigBee协议栈采用分层结构,包括:物理层(PHY Layer)、媒体接入控制层(MAC Layer)、网络层(NWK Layer)和应用层,如图1所示.



相对于常见的无线通信标准,ZigBee协议栈紧凑简单,具体实现要求很低.只要8位处理器再配上4kB ROM和64kB RAM等,就可以满足其最低需要.从而大大降低了芯片的成本.ZigBee技术主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间,典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复性低响应时间数据.


1.3 ARM 微处理器结构与嵌入式Linux的结合

ARM微处理器支持多种操作系统,同时Linux支持ARM技术的CPU.Linux提供ARM微处理器的编译环境,ARM的汇编指令和C语言可以进行交叉编程.标准C语言写的程序可以直接在ARM技术的CPU上运行.嵌入式Linux和ARM技术结合具有许多优点,为研究、开发和使用带来了极大的方便.本文提出以ZigBee协议为基础,利用ARM微处理器和嵌入式Linux操作系统,将它们有机结合,构建出针对无线网络的控制平台,这将为今后的研究和开发建立良好的环境.


2 基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台

本文主要针对ZigBee技术的主要特征及其协议栈,最后给出一种基于ZigBee技术的无线网络平台的实现.研究内容包括:可应用于嵌入式信息系统平台的无线网络的拓扑结构、网络层协议、路由算法、应用层接口及协议、低功耗系统设计方法、无线网络与标准平台的互连方式;安全机制;嵌入式软件设计与优化等.基于ZigBee的嵌入式无线网络平台的研究要考虑以下因素:


1)网络拓扑结构:ZigBee标准实际上支持多种网络拓扑,包括星型、簇树型(cluster tree)或星/网络混合型网络.因此,网络的选型需从数据的可靠性、网络的扩展工作范围等多方面考虑.


2)互操作性:ZigBee设备采用应用对象进行建模,这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其它设备的通信,因此要考虑利用ZigBee应用编程接口(API)来设计专有的应用类.此外,ZigBee没有定义传输层,所以是自己创建传输机制,还是使用一个带有内置传输层的ZigBee芯片来创建实际的应用也成为了关键问题.


3)安全性;ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件,并集成了802.15.4的安全元素.ZigBee协议栈类为MAC、网络和应用层定义了安全性.它的安全服务包括针对关键进程建立和传输、设备管理和框架保护的方法.必须决定在哪个层上施加安全机制,应用层的安全机制需要更多的存储器来实现.在MAC层和网络层的安全性实质上服务于相同的目的:确保单跳传输的安全.


4)平台因素:ZigBee提供了一个标准化的网络和应用框架,可以在此基础上建立应用而无须担忧联网和RF问题的烦扰.然而,单靠其自身,ZigBee标准化框架不能保证产品的顺利开发.必须选择一个集成硬 软件平台来建立自己的应用.必须仔细考虑所选平台的集成深度、网络协议栈的深度和合适的开发工具.


5)基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台评测的主要技术指标有:①无线传感网络节点功耗小于75mw(激活工作状态).②无线传感网络动态路由,有效数据载荷大于20kbps.③无线(GPRS)嵌入式广域网协议栈小于64KB RAM、128KB Flash.


3 平台安全性

3.1 ZigBee的抗干扰性

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层.ZigBee物理层分组结构如图2所示.



(其中前导码4byte,主要用于前导同步,分组定界1byte,标志了分组的开始,物理层头1byate,指示了数据单元的长度,数据单元则用来承载所有传输的数据.)


两个物理层都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频)使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率.2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电.为了避免干扰,除了2.4GISM频段外,欧洲还采用868MHz频段,美国采用915MHz频段作为ZigBee的工作频段.这些频段都比较近,对信号合成器的程序稍微改动,就可以使用相似的硬件,从而降低生产成本.由于这2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较大的区域.2.4GHz频段(2.4—83GHz)被划分成l6个信道,数据传输速率为250kbifs,码元速率为62.5kbaud,采用了l6进制正交调制,用码片长度为8的伪随机码直接扩频.915MHz频段(902—928MHz)被划分为10个信道.数据传输速率为40kb/s.868MHz频段(868.3MHz)有1个信道,数据传输速率为20kb/s,码元速率为20Kbaud.后2个频段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制,用码片长度为15的M序列直接扩频.


3.2无线网络平台数据安全性

根据ZigBee网络的特点,在无线网络平台中采用许可证技术对保证数据传输的安全性较为适合.许可证是一个数据结构,它包括设备的信息、权限、等级、密钥等信息,用于确定设备的身份信息、操作权限和提供必要的密钥.如表2所示.


表2 许可证结构定义



采用许可证技术后,平台中信息传递的过程如下:


①发送方向接收方发送信息,并附加本设备信息.


②接收方收到信息后,先将信息和发送方设备信息存储在一个缓冲区中,然后将发送方的设备信息与本地存储器中的访问权限表相比较,确定发送方设备是否有权限向本设备发送信息.


③如果发送方是有权限的发送设备,那么接收方接收发送方的信息,并向发送方发送“正确接收”的反馈信息.如果发送方是非授权的发送设备,则接收方拒绝接收信息,清空缓冲区.


4 无线网络平台的自组网方式

ZigBee主要采用了3种组网方式:星型网、网状网和丛集树状网.如图2所示在星型网中,一个功能强大的主器件位于网络的中心,作为网络协调者,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人方式,因此星型网的控制和同步都比较简单,通常用在设备薯莨比较少的场合.如图3所示,网状网是由主器件连接在一起形成的,又可分成为点对点和簇树2种结构.星型网和网状网相结合则形成了丛集树状网,如图4所示.各个子网内部都以星型网连接.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个子网内的主节点.通过网关节点达到更高层的子网,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.丛集树状网可以用于覆盖范围较大的区域,在上述网络拓扑结构中,网络的形成和维护通过设备间的通信自动实现,不需要人32干预网络的建立、扩展或者减小.ZigBee网络中的所有设备都被动态分配到IEEE地址.图中,个人区域网络协调者(PAN Coordinator)表示网络主节点Mesh Network,全功能设备有32KB存储器,而简化(精简)功能设备只有4—8KB存储器.





5 结束语

低功耗、低成本的ZigBee无线网络标准将在家庭和楼宇自动化、节能甚至国土安全领域开拓丰富的新市场.但该协议不是能以一种规格适应


所有应用的“万能药”.在其最基础层,ZigBee确保了与其它符合标准的产品的互操作性.而与ZigBee的潜在应用非常之广一样,对其进行开发必须权衡的问题也非常之多,包括更深层的应用、架构和平台等.


ZigBee标准提供了网络、安全和应用支持服务,这些服务工作在IEEE 802.15.4媒体存取控制(MAC)和物理层(PHY)无线标准之上.它采用了一整套技术来实现可扩展、自组织、自恢复的网络,这种网络可以管理各种各样的数据传输模式.


关键字:ZigBee技术  嵌入式  无线网络平台 引用地址:基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台的研究

上一篇:基于ARM的数字电视射频信号功率检测器设计
下一篇:MMA7361L的高精度角度检测平台设计

推荐阅读最新更新时间:2024-11-19 21:00

采用嵌入式S3C2410芯片的智能手机电话短信模块设计
   0 引言   随着嵌入式技术和通信技术的发展,在手机领域,智能手机已成为手机发展的主流趋势。目前在智能手机领域,从处理器选型、操作系统选择以及应用程序开发都是研究的热点。在高校计算机相关专业的课程中也越来越多地涉及到智能手机的相关内容,越来越多的学生也都投入到智能手机的学习和开发阵营中来。因此,为这些学生提供相关的实验设备显得很必要。本文提出基于三星S3C2410芯片为核心构建智能手机硬件实验平台,并结合无线通信模块实现智能手机电话短消息功能。为学生进行智能手机相关的实验提供了平台,通过本平台,学生可以自己动手完成智能手机设计时的各种软件开发,改变了传统的验证式的实验平台模式,有利于学生创新能力的培养。   1 智
[单片机]
采用<font color='red'>嵌入式</font>S3C2410芯片的智能手机电话短信模块设计
基于GPS定位的嵌入式汽车监控器设计
随着人们生活水平的提高,汽车逐渐进入了普通家庭,中国各大城市的汽车保有量逐年增加。同时,汽车被盗、被抢也成为一个较为严重的社会问题。虽然各类汽车防盗/报警器在汽车上的应用在一定程度上解决了汽车的安全问题,但随着盗贼手段的提高,大多的报警器容易迅速被破坏。汽车报警的方式多为灯光闪烁和喇叭鸣响,车主不一定能得到报警,周边的居民却被严重干扰。此外,盗贼破坏报警器,盗走汽车后,外观稍加改动,汽车就如石沉大海,无法追踪了。为了解决这些问题,本设计利用GPS监控的方式跟踪汽车位置,在被盗情况下可利用GSM短信模块随时向车主或公安部门发送汽车的GPS定位,加快破案速度。   图1 系统功能图 系统功能 本监控器不同于普通的汽车
[嵌入式]
LCD驱动器SD0432与嵌入式系统的接口设计
摘要:集成LCD显示驱动器SD0432是深圳兴威帆电子有限公司生产的低工作电压串行接口芯片,它内部具有看门狗(WDT)及语音输出电路。文中介绍了SD0432的工作特性及工作原理,给出了SD0432与8051嵌入式微处理器的接口电路及部分程序代码。 关键词:LCD显示驱动器 SD0432 嵌入式系统芯片8051 看门狗(WDT) 1 SD0432的主要特性 现今,随着LCD价格的下降,LCD的使用已经越来越普遍了,如在电脑显示器方面,大有LCD显示器取代CRT显示器的趋势。同时由于LCD显示器具有直观、小巧轻薄、耐用等特性,因而得到了广泛的使用。 SD0432是具有128段(32%26;#215;4位)和映射存储器
[应用]
基于嵌入式技术的智能仪器触摸屏接口设计
0 引言 在现代化生产中,为了确保机械设备安全可靠地运行,通常要采用适宜的仪器仪表,利用故障诊断技术及时发现故障,并采取合理的维修或保护措施来排除故障,预防和避免事故的发生。基于对仪器尺寸、便携性和操作方便性的考虑,在工业领域如煤炭、钢铁、冶金、电力、化工等行业中大量的仪器仪表和设备,都逐渐选用触摸屏作为系统的输入设备。 针对这一情况,作者在开发面向机械故障诊断的智能仪表过程中,对触摸屏输入接口进行了研究。设计了四线电阻式触摸屏与PXA255 处理器的接口电路,分析了Linux框架下的字符设备驱动程序设计原理,完成了触摸屏的接口驱动程序开发,并设计了用触摸屏作为输入设备的MiniGUI用户程序。触摸屏作为仪器的输入设备,人机交
[单片机]
基于<font color='red'>嵌入式</font>技术的智能仪器触摸屏接口设计
基于ARM嵌入式系统的一种远程可控电源插座设计
互联网的迅速发展,实现了信息的高速传输和资源共享,极大地方便了人们的生活。嵌入式系统广泛应用于各种电器产品、智能仪表和控制设备中,它与互联网的结合是一种必然的趋势。 嵌入式系统和网络技术的快速发展,为网络远程控制的发展和完善提供了技术基础。 笔者综合运用嵌入式系统和Web技术,设计了一种可通过互联网进行远程控制的电源插座系统,实现对家用或工业电器的远程实时控制。用户通过网页浏览器访问该系统,对各插座进行打开或关闭的操作,实现对与其相连接的电器的远程控制。 1 嵌入式Web工作原理 嵌入式Web的体系结构如图1所示。客户端和嵌入式系统中Web服务器之间的通信协议采用HTTP(超文本传输协议)。嵌入式操作系统提供TCP
[单片机]
基于ARM<font color='red'>嵌入式</font>系统的一种远程可控电源插座设计
MSP430系列嵌入式实验教程---串行通信
串行通信 串行通信是与并行通信相对应的,并行通信的优点是快速,但用的IO数量比较多,信号线多。 现在串行速度的速度已经提高到一个非常高的水平了,我们的硬盘都使用的SATA串口而不再使用以前的并口线了,多数场合串行往往比并行有用。 同步与异步 通信分为同步和异步,异步通信是指双方按照事前约定好的时钟速率(波特率)来进行通信,因为没有公共的时钟线,所以通信双方的数据必须整齐划一。而同步通信的双方拥有公共时钟,按时钟信号来更新数据,所以数据流不一定要整齐划一。 单工、半双工、全双工 单工:只能单向通信,例如电视广播 半双工:能收能发,但要分开进行,例如对讲机语音消息 全双工:能同时收发,例如打电话 协议分类 两线:异步+
[单片机]
MSP430系列<font color='red'>嵌入式</font>实验教程---串行通信
柳暗花明:浅谈嵌入式ARM开发的前世今生
  在这个科技高度发达的今天,相信很多在校学生停留在51单片机上的种种应用开发,做一个小玩意,获得个好名次,这在无形中增加了对单片机的理解和认识,对以后的工作奠定雄厚的基础:汇编语言的使用,可以让你在ARM Bootloader的开发上如鱼得水;各种外围器件的使用,可以让你在应用开发中如沐春风。但是,如果仅仅停留在这个阶段,或者说停留在低端单片机的开发应用上,拿到手的 金子 也有限,这就需要你踏入更加广阔的电子领域---嵌入式开发。现在最流行的是 ARM+Linux 构架,如果在这条路上你走的比较远,那么,这对你的生活质量的提高也大有帮助。   由于 ARM+Linux 构架的嵌入式开发范围很广,如果想全部掌握,需要懂Linux使
[单片机]
柳暗花明:浅谈<font color='red'>嵌入式</font>ARM开发的前世今生
德州仪器免费软件协议栈为大众市场带来 ZigBee技术
ZigBee 开发套件与 ZigBee 2006 协议栈现已提供最新版本;Z-Stack 包含对 TI MSP430 超低功耗 MCU 的支持 2007 年 4 月 24 日,北京讯 日前,德州仪器 (TI) 宣布推出业界领先的 ZigBee协议栈 (Z-Stack) 的免费下载版本,用户可通过 www.ti.com/zigbee 进行下载。Z-Stack 达到 ZigBee 测试机构德国莱茵集团 (TüV Rheinland) 评定的 ZigBee 联盟参考平台 (golden unit) 水平,目前已为全球众多 ZigBee 开发商所广泛采用。Z-Stack 符合 ZigBee 2006 规范,支持多种平台,其中包括面向
[新品]
小广播
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件

 
EEWorld订阅号

 
EEWorld服务号

 
汽车开发圈

电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved