ZigBee技术介绍5篇

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zigbee协议范文1

关键词：ZigBee协议； 光伏发电； 智能防盗； GSM网络

中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)21-0183-03

Application of Photovoltaic Power Generation and ZigBee Wireless

Network in Intelligent Anti-theft System

CHAI Wei-lu, NIU Yi-bo, SONG Yun-tao

(School of Information Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001, China)

Abstract：

The application of photovoltaic power generation and ZigBee protocol in intelligent anti-theft system is introduced. To achieve the purpose of alarm, the infrared sensor was used to detect body temperature, the signal was transmitted to host computer via wireless sensor network by using low power chip JF24C, the alarm signal was sent after the computation and was transmitted to people by GSM network and video monitoring. It is mainly for houses, shops and banks to ensure property security. The system with photovoltaic power and household power source, is more environmental and stable for low carbon and energy saving, and has high security.

Keywords： ZigBee communication protocol; photovoltaic power generation; intelligent anti-theft; GSM network

基金项目：教育部资助的郑州大学“大学生创新性实验计划”立项项目：光伏红外远程家庭智能防盗系统

随着社会的发展和人民生活水平的提高，人们对于生活环境的安全性要求日益提高。安全可靠的报警系统已经开始进入商场、店铺、银行等重要单位或公共场合，甚至有些家庭也安装了报警系统。报警系统在保障公共、个人财产安全的同时，其性能之好坏也愈发显得重要。目前市场上的热释电红外报警系统功能较为单一，不能更好地起到安全防护的作用，不能更好地应付诸如断电等突况。本文介绍的光伏红外远程报警系统把光伏电源与家用电源相结合、报警与录像监控相结合，再加上ZigBee 无线热点传输技术，不仅拥有了比普通报警器更强的反破坏能力，还有环保低碳的特点。

1 总体设计方案

光伏红外远程报警系统总体设计图如图1所示。

电源提供模块

(1) 光伏电源为各个无线设备提供电力，为有线设备提供辅助电力。

(2) 家用电源连接变压装置以及蓄电池构成供电电源。

红外传感模块

无线热释电红外传感器利用菲涅尔透镜以提高传感器的灵敏度，并使传感器的检测范围具有指向性，并连接到红外传感信号处理电路，再接到报警控制主机的数字接口。无线传感器固定在隐蔽位置，和光伏电源蓄电池相连，通过无线通信芯片将信号传到主控机上。多个红外线应装置组成一个红外线感应网络，通过无线传感网络程序综合处理外界信号。

GSM模块

模块采用无线拨号传输模块，由报警控制主机通过RS 232串口连接手机拨号器，按预定程序拨出用户手机号码。

录像与报警存储模块

摄像机大容量硬盘存储的嵌入式监控DVR模块，里面可以配置大容量硬盘作为前端存储介质，实现超长时长监控。多个摄像头存储图像真实性好，保留全部录像信息。为实现弱电控制强电，当报警控制主机发出信号时，通过继电器开关控制DVR模块，摄像头自动开启或关闭录像。当系统工作时，报警控制主机会发出指令使警铃报警，LED指示灯同时亮红灯；当系统休眠时，警铃不报警，LED指示灯亮绿灯。

2 电路设计

主控电路

单片机采用ATMEL公司的AT89S52，它内部集成256 B程序运行空间，8 KB FLASH存储空间，支持最大64 KB外部存储扩展，时钟频率可以设置在0～33 MHz之间，片内资源有4组32个I/O控制端口、3个16位定时器、8个向量两级中断结构、软件设置在低能耗模式、还有看门狗和断电保护等。主控电路如┩2所示。

它在4~ V宽电压范围内正常工作，功耗低，同时还支持计算机并口下载。AT89S52有多种封装，本设计中采用的是DIP-40的封装。

光伏发电与家庭供电接口电路

主机采用太阳能电池和家用220 V电源的双供电方式。当有家用电时，通过直流低压继电器巧妙断开太阳能电池；当家用电断开时，太阳能电池充当电源。

太阳能电池通过太阳能智能充电器连接太阳能板，充电器在阳光充足时为电池充电，充满电池时自动断开充电。在充足太阳是充电电流能达到1 A以上，完全满足电路需要。

GSM网络接入电路

本系统使用的是西门子公司的TC35系列GSM芯片TC35i与GSM2/2兼容、双频(GSM900/GSM1800)、RS 232数据接口，TC35i由供电模块(ASIC)、闪存、ZIF连接器、天线接口等六部分组成。该模块及射频电路和基带与一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输。

ZigBee协议无线通信电路(从片)

从片电路主要基于 GHz双向无线传输模块JF24C。该模块以较小的体积实现了告诉数据传输功能，速率最高可达1 Mb/s，并具有快速跳频，向前纠错，CRC等功能。通过控器的信号，将信息通过电磁波的形式发射出去，临近的芯片控制相应的JF24CJ进行数据的接收，从而实现信息的传递。ZigBee电路设计模块如图3所示。

电源电路及报警、录像监控电路

光伏电源和录像监控控制电路如图4所示。

报警电路采用一个简单高效的三极管放大电路，连接蜂鸣器或者可以选用大功率100 dB以上的报警铃。录像监控电路采用弱电控制强电的直流继电器，线圈端接单片机，直流电流端接DVR。

3 软件设计

4 实验结果

在室内模拟了该装置的工作环境，太阳能电池板暴露在室外(温度24 ℃)14时阳光直射下，采用三个从片相互协调实现信号检测与数据传输功能。

将蓄电池接到室内电源插座上，打开主控制器开关，LED界面显示“welcome to zzu”英文字符，报警电话号码(1503819****)设定完毕后，直接转入工作模式。当靠近从片1约 m时，从片1发出报警信号并发送到最近的从片2，从片2检测到报警信号后又转发到主机上。当主机接收到报警信号后，显示器显示出“TERMINAL 1”字样，并控制GSM模块向1503819****拨打电话。与此同时，报警器发出报警，摄像机实现录像的功能，并将数据存储起来。将蓄电池接到太阳能板上，断开室内电源，重复以上动作，实现了同样功能。经过30次实验，报警成功率为28次，无误报。

5 结 论

经过实地测试，该系统的报警成功率为93%，能够较为准确地实现报警功能。

该系统是ZigBee协议与光伏发电在家庭防盗系统中的一次尝试性的成功应用，预期上述两种技术将在智能家庭领域有更广阔的前景。

参考文献

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作者简介：

柴维路 男，1989年出生，河南浚县人。主要研究方向为机器人智能小车。

zigbee协议2

随着物联网的兴起，无线传感器网络(WSN)向 IPv6 网络的融合逐渐提上日程，基于 IPv6 的低功耗无线个域网 (6LoWPAN)[3]由 此 应 运 而 生 。6LoWPAN 协 议 主 要 在 IEEE 链路层之上实现了精简的 IPv6 协议，通过在链路层与 IP 层间添加适配层实现首部压缩与数据包的分片重装，很好地实现了 IPv6 网络与低功耗无线 网 络 之 间 的 协 议 适 配 。 目 前 ,IETF 6LoWPAN 工作组已经形成的 3个标准文档，提出了低功耗网络中运行 IP6 协议的假设、问题和目标[4],制订了 6LoWPAN 的功能及报文格式[5],以及基于上下文(Context)的 IP 报文头压缩(IPHC)方法[6]。此外，还出台了6LoWPAN 邻居发现协议、低功耗有损网 络 路 由 协 议 (RPL) 等 相 关 标 准 草稿。基于该标准体系的系统开发已经 成 功 应 用 于 相 关 产 品 中 ,如Sensinode 公 司 的 基 于 NanoStack 的NanoRouter 产 品 和 NanoService 产 品 、TI 公司生产的基于 CC-6LoWPAN的Sub-GHz 6LoWPAN Network Processor产品等。IETF 核心工作组专为资源能量带宽受限的网络(如 6LoWPAN)设计了轻量级的应用层协议(CoAP)[7],处于数据报协议(UDP)之上，为应用终端之间提供了一种方法/响应交互模式，支持内置的资源发现(RD)机制以及组播机制，同时包含几个关键 Web概念如统一资源标识符(URI)和内容类 型 。 CoAP 是 对 超 文 本 传 输 协 议(HTTP)的一种简化，满足轻量级的同时还便于与 HTTP 进行转化。

综上所述，无论从物联网还是WSN 的发展趋势来看，6LoWPAN 作为一种新兴的基于 IPv6 的无线传感网协议，具备更高的应用价值与发展潜力。但从目前的行业应用现状分析，未来很长一段时间内，Zigbee 仍然 会 承 担 一 个 很 重 要 的 角 色 。6LoWPAN 的逐步推广使得两种网络及其节点的互通成为必然。本文在原有 6LoWPAN 以及 Zigbee 标准不变的基础上，首先分析了异构节点互通问题，并设计了协议转换、网关功能以及节点交互流程；然后分析了现有的异构节点互通方案，给出了本文设计的异构节点互通场景、系统结构、协议转换模式以及网关功能；最后对寻址、服务发现等互联互通关键技术进行了分析，并基于此设计了异构节点交互流程。6LoWPAN 作为一个将低功耗网络融合到传统网络的协议，与 Zigbee协议的互通问题同样与 IPv6 协议密不可分。实现异构网络协议的融合互通一般采用在网络层进行协议转换，因此 Zigbee 协议与 IPv6 协议的转换过程必不可少。目前 Zigbee 与 IPv6融 合 的 技 术 相 对 比 Zigbee 与6LoWPAN 融合的技术更全面些。

现有 Zigbee 与 6LoWAN 互通方案如图 1 所示。目前有关 Zigbee 节点与6LoWPAN 节点互通的方案较少，总结起来主要包括双栈网关与双栈节点两种方案。两种方案的共通点是在Zigbee 的应用层添加了 IPv6 协议块，即将Ip数据包作为应用层数据处理 。 双栈节点可实现Zigbee 与6LoWPAN 的功能，但不能同时实现，且对于功耗、资源限制的节点来说不适用。双栈网关很好地减少了域内节点的资源能源消耗。这两种方案仍停留在框架层面，均未实现首部压缩与解压缩以及数据包的分片与重装，也未解决关键的寻址问题与服务发现问题。由于 6LoWPAN 与 IPv6 密不可分的关系，上述部分问题可在Zigbee 与 IPv6 网络融合方案中找到相近的解决方案。

Zigbee 与 IPv6 网络互通的最直接的方式就是在 Zigbee 网络层与应用层之间添加 IPv6/UDP 层，此时所有的Zigbee 节点均被分配了一个 IPv6 地址。当网关(Zigbee 协调器)处收到 IP网络数据包时，将其封装成 Zigbee 网络层并转发至 Zigbee 网络中。当网关收到 Zigbee 数据包时，则将其解封装并利用 IPv6 载荷继续传输。由于Zigbee/ 中的数据为异步通信方式，所以一般采用 UDP 协议传输数据。这种方式最大的问题在于数据包大小，也就是首部压缩与数据分片的问题。Sakane S 等人设计了一种基于地址转换的 Zigbee 节点与 IPv6 节点的交互机制[8]。通过双栈网关实现地址转换。这种方式解决了 Zigbee 节点与 IPv6 节点的地址统一问题，但是打破了 Zigbee 端到端的信息安全等特征，且没有解决 Zigbee 网络中最重要的服务发现功能。Reen-Cheng Wang 等人对上述基于 NAT 的交互方式进行了改进，提出了一套完整的 Zigbee 节点与 IPv6 节点交互机制。IPv6 over Zigbee 交互机制[9]如图 2 所示。双栈网关不仅实现了 Zigbee 地址与 IPv6 地址之间的转换，也实现了 Zigbee 服务发现功能与IP 网络的简单服务发现协议(SSDP)的转 换 。 Zigbee-IPv6 协 议 栈 如 图 3 所示。协议转换是在双栈网关的网络层进行的，保证了应用层数据传输的加密机制。为了防止广播风暴，该机制对每个 Zigbee 域设定为一个多播组，更好地支持了低功耗网络与 IP 网络的融合。但此方案依然没有解决数据包分片的问题。上述关于 Zigbee与 IPv6 的融合方案，网络地址转换、服 务 发 现 功 能 转 换 等 机 制 对6LoWPAN 与 IP 网络以及 Zigbee 网络的融合有很好的借鉴作用。

图 4 所 示 为 本 文 所 实 现 的6LoWPAN-IPv6-Zigbee 架构中异构节点 互 通 的 场 景 。 6LoWPAN 节 点 与Zigbee 节点处于同一混合域中，通过同一个功能复杂的边界网关实现域内异构节点间的互通，并可接入 IP 网络实现与其他节点互通。

图 5 所示为在图 4 所示的应用场景下网关中的协议转换图。同一域内的 Zigbee 节点与 6LoWPAN 节点之间的交互主要通过网关中 Zigbee 协议栈与 6LoWPAN 协议栈之间的转发实现。此外，在边界网关中同样设置IPv6 协议栈，以便域内节点与域外的IPv6 节 点 或 者 其 他 域 节 点 进 行 通信。在处理服务发现协议的组播消息时网关也需要进行上层协议解析并且可以在不同的服务发现协议间进行转换。

边 界 网 关 是 Zigbee 协 调 器 与6LoWPAN 边界路由器功能的结合，同时还需完成 Zigbee 协调器与6LoWPAN 边界路由的交互功能。网关功能主要有：(1)基本协议解析功能，包括 Zigbee 协议、6LoWPAN协议以及 IPv6 协议栈。(2)网络层协议转换，主要提供首部转换模块，即将Zigbee 协议的网络层首部与IP 首部进行转换，必要时可以将 Zigbee 的应用支持子层(APS)首部与传输层协议进行转换。(3) 地 址 转 换 功 能 。 由于是网络层转发，Zigbee 地址需先转换为 IPv6 地址，然后通过 6LoWPAN 进行地址压缩。由于边界网关同时包含 Zigbee协议与 6LoWPAN 协议，且两种协议使用不同的方法分配 16 位短地址，因此在边界网关中地址映射表存在 3种链路层地址：EUI-64、6LoWPAN16位短地址、Zigbee16 位短地址。(4)服务发现协议转换，主要在应用层通过 Zigbee 的应用层数据格式与 CoAP-HTTP 格 式 转 换 来 实 现Zigbee 设备对象-服务发现(ZDO-SD)协议与轻量级的应用层-资源发现(CoAP-RD)协议的转换。

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ZigBee消费应用

为进一步推动ZigBee市场的成长，简化设计并加速上市过程成为当务之急。德州仪器 (TI)近日宣布推出最新 Z-Accel 系列 GHz ZigBee 认证网络处理器中的首款产品 ―― CC2480。该器件为工程师提供了完整的 ZigBee 功能，而无需全面了解繁琐的全功能 ZigBee 协议栈，从而尽可能减少了开发工作量，并简化了 ZigBee 功能与各种应用的集成工作，如家庭与楼宇自动化，以及工业监控等。此外，该器件还为客户提供了可与各种主机 MCU 协同工作的高灵活性。

CC2480被TI赋予了networking Processor的使命，TI称为ZigBee Processor。德州仪器低功耗射频业务全球业务总监Emmanuel Sambuis认为：“CC2480是把已经做好的ZigBee协议栈的软件（经过ZigBee Alliance认证、测试）放到芯片内部，客户可以通过外加一个MCU，把应用程序放在外面的MCU，这样就不用花很多的时间去开发ZigBee协议栈方面的软件。这就是我们所谓的Z-Accel的概念，其实Accel的意思是其余工作加速，这样客户就可以很简单的把我们ZigBee网络处理器外加一个MCU，把他的应用做好。除了软件以外，TI同时也提供一些硬件的文档，包括天线的匹配。这样客户在硬件上也可以减少很多的工作量，可以以很快的速度开发一个ZigBee产品，现在花上几天甚至几个礼拜就把ZigBee产品设计好不再是天方夜谭。

Z-Accel 是一套全面的解决方案，TI 的 Z-Stack软件 ZigBee-2006 协议栈可在ZigBee 处理器上运行，而应用程序则能在外部 MCU 上运行。CC2480 能够处理所有时序关键型与处理密集型 ZigBee协议任务，而将应用 MCU 的资源占用空间释放出来用于满足其他应用要求。CC2480 不仅能够通过 SPI 或 UART 接口与各种 MCU 通信，还能与 TI 的 MPS430 超低功耗 MCU 等器件相结合。

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关键词： ZigBee； OTA； 数据压缩； CRC32

中图分类号： TN921?34 ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文献标识码： A ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； ； 文章编号： 1004?373X（2014）23?0001?04

Abstract： TI′s Zstack was selected as a research base， which improved on the basis of OTA technology established by ZigBee Alliance. A multi?concurrent， reliable， efficient， low?power OTA solution was designed. also The data compression technology is used in this solution to compress the firmware code data， so as to improve the performance of the application. It was implemented on CC2530 sensing nodes， and was applied to ZigBee network with more than 200 sensor nodes successfully. The reliability and stability of the solution were validated.

Keywords： ZigBee； OTA； data compression； CRC32

0 ； 引 ； 言

TI根据ZigBee的相关OTA标准[1]标准编写了相应实现代码，但是对功耗方面关注度比较少，而且必须要配合TI的软件才能实现升级。国内针对OTA技术已有相关研究，文献[2]涉及无线传感网络空中下载协议，该协议是一种具有数据传输、节点状态控制功能的应用层协议，为无线传感器网络提供无线传感器节点状态控制、程序代码更新等服务，但是没有提出具体的实现方案，也不涉及到可靠的数据分发机制，在实际应用中需要做具体优化。文献[3]提出了一种点对点的无线下载方式，是一种比较通用的无线下载方案。但是其方案数据校验还是有点欠缺，没有对整个Image进行校验，可能会导致数据错误。

本文提出了一种基于通用架构、多点并发、可靠、高效、低能耗的无线下载解决方案。升级的传感节点自主向协调器申请固件数据，自主发送数据申请包（POLL?Data Request），从而实现多节点并发升级，极大地提高了系统的效率及稳定性。

1 ； 结构划分及算法选择

 ； 存储结构划分

在OTA升级模型中，需要把传感节点及需要升级的设备内部程序存储器在结构上分成三个区域：程序引导区、数据共享区和用户装载程序区。引导程序Bootloader主要实现固件程序的串口下载、固件数据的解压缩、中断向量的重映射及程序的跳转；数据共享区存放引导程序与用户程序的一些共享数据，例如固件的大小、版本等信息，用户程序与引导程序都可以对该区域中数据进行操作；用户装载程序区用来存储用户应用程序，即实现用户需求的应用程序。

 ； 最大数据包及CRC选择

在实际应用中，在无线升级过程中应该要尽量选择最大包数据来发送，这样可以减少整个固件发送的次数。而在未加密、短地址模式下，可用于传输的用户数据只有99 B。本文支持的数据包最大值通过Zstack中的API函数afDataReqMTU（）来获取。

因为要对整个数据包进行校验，选用了CRC32，根据文献[4]，CRC32最大能校验的不冲突数据包长度为512 MB。

 ； 数据压缩

一个基于Zstack的传感节点固件大小都是在100 KB以上， 为了提高下载的速度，考虑对固件数据进行压缩。为此，本文选用两种无损压缩算法进行评测：MiniLZO[5]与LZSS[6]，并在CC2530上做了移植，比较它们的性能。由于CC2530只有8 KB的ROM，考虑到对压缩前后数据的存储问题，所以在实际压缩过程中需要将固件分割为3 KB大小的小块进行分段压缩。

本文选择一个大小为123 072 B的固件，利用上述两种压缩算法对此固件进行性能比较。其中整体压缩是该固件没有进行分段压缩之后的结果，具体测试结果如表1所示。

表1 LZSS与MiniLZO性能比较

[算法＼&；整体压缩/压缩比率＼&；分段压缩/压缩比率＼&；解压程序

占ROM /B＼&；解压时

间 /ms＼&；MiniLZO＼&；79 974 B/%＼&；89 262 B/%＼&；2 570＼&；1＼&；LZSS＼&；73 090 B/%＼&；85 210 B/%＼&；635＼&；11＼&；]

从表1中可以看出LZSS解压程序比MiniLZO更节省ROM空间，但是LZSS解压速度更慢，会导致传感节点功耗与不稳定因素提高。所以本文提及的OTA方案压缩解压缩算法选用MiniLZO。

2 ； 系统实践

OTA系统模型由无线升级主机（协调器）、传感节点和路由设备组成，如图1所示。升级主机和传感节点中都集成SPI FLASH存储器，用来存储要升级的传感器节点的固件。传感节点采用SPI FALSH作为缓冲存储介质，保证在下载的过程中不需要擦除应用程序，只有在SPI FLASH中的固件数据得到正确保证的情况下才被BootLoader程序拷贝到内部FLASH中，从而提高了系统的稳定性。

ZigBee标准[7]定义中，节点与其父节点通信采用POLL机制，节点通过周期性发送数据请求帧（POLL?Data Request）来查询其父节点中有无数据要发送给它。这种机制一方面导致了节点功耗的增加，另一方面也给整个网络带来了一定的负荷，增加了系统不稳定因素。

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图1 OTA系统模型

本系统在实际应用中关闭了周期性传感节点的POLL功能，这导致传感节点无法接收到协调器发给节点的数据。为此，本文重新构造自主数据请求（POLL?Data Request）机制，并设计了两种特殊数据帧：配置数据申请帧和固件数据申请帧。

配置数据申请帧是在传感节点与其父节点建立连接之后，传感节点向协调器发送的一种数据帧。该数据帧包含节点当前运行的固件版本信息、IEEE地址等。在该数据帧发送之后，调用NLME_SetPollRate（）函数开启POLL功能，同时也开启等待协调器应答的超时定时器，开始等待协调器发送数据到该传感节点；如果超时，定时器超时溢出。重复上述操作，具体流程如图2（a）所示。

因为传感节点采用自主数据请求的机制，所以在传感节点与协调器关联成功的时刻，要决定是否进行双向通信，如图2（b）所示。在传感节点与协调器关联成功后，传感节点向协调器发送配置数据申请帧，协调器在收到该数据帧后就可以把相关的配置信息发送给它。传感节点根据此数据包中的信息来决定是否要继续与协调器保持数据通信或者固件升级。这种操作带来了两个方面的好处：一方面传感节点不需要开启周期POLL功能，可按需开启该POLL功能，降低了网络冲突的概率，提高了ZigBee网络容量；另一方面降低了传感节点的功耗，使传感节点工作时间延长，提高了设备的可靠性。

如果传感节点在规定时间内收到协调器的配置数据申请帧的应答帧，并把当前运行的固件版本与该应答帧数据中包含的固件信息做比较，如果节点当前运行固件版本比协调器中固件信息版本要低，则再根据协调器应答帧数据相关标志位，来决定是否需要进行升级工作，如图2（b）所示。

传感节点一旦进入升级模式，则开始周期发送固件数据申请帧数据，在发送完之后调用NLME_SetPollRate（）函数开启POLL功能，打开超时等待定时器。固件数据申请帧中包含传感节点要申请固件数据存储于协调器SPI FLASH中的地址及固件数据的长度。协调器收到该固件数据申请帧之后，从该数据包中获取传感器节点申请固件按数据的存储地址，并从SPI FLASH的该地址空间中读取指定长度的数据，在收到传感器Data?Requst包之后，把读出的固件数据发送给该传感节点。传感器节点接收新的固件数据则写入其SPI FLASH中，紧接着申请下一包数据。此流程一直循环到数据所有固件数据被申请完，具体流程如图2（c）所示。

传感节点申请完协调器中的新固件数据后，则把相应参数写入到数据共享区，重启进入Bootloader。引导程序根据共享区的数据信息，读取传感节点SPI FLASH中新固件数据并解压到内部FLASH，从而实现传感节点的固件升级。

3 ； 分析与评测

为了保证实验数据的可靠性，本系统测试都是采取同一份传感节点固件，大小为123 072 B。为了避免传感节点因为网络参数问题导致与协调器无法连接，在Zstack?协议栈[8]上做了修改，在传感器节点多次发送失败之后，则要重新初始化网络参数，并重启传感器节点。本系统的验证分三种方案进行，如表2所示。

表2 测试方案

[方案号码＼&；固件数据申请

帧周期 /ms＼&；固件数据

是否压缩＼&；同时升级

节点个数＼&；方案1＼&；100＼&；否＼&；2个、5个、10个＼&；方案2＼&；100＼&；是＼&；2个、5个、10个＼&；方案3＼&；50＼&；是＼&；2个、5个、10个＼&；]

方案1，方案2测试结果如图3所示。方案2，方案3测试结果如图4所示。

从图3可以看出，固件数据的压缩可以在一定程度上缩短传感节点固件升级的时间，进而提升了OTA性能。随着同时申请升级的节点数目的增多，节点升级的时间相对于同时申请下载节点较少的情况下完成升级所花费的时间会有所增加，因为节点增多导致无线冲突的概率增大，而数据的重发机制导致传感节点升级的花费时间增加。同时，升级节点的增多，也会导致有些传感节点因为多次重发不成功，而引起传感器节点重置网络参数，重启并重新开始升级工作，如图4（c）中序号为6、7、9、10号的节点。

从图4可以看出，缩短传感节点固件申请包的时间间隔，在传感节点比较少的情况下，极大地缩短了升级所花费的时间。但是随着传感节点同时申请升级的个数增加，无线冲突的概率也随之增大，导致节点重启并重新升级的节点个数也随之增多，如图4（c）所示。

从图3与图4可以看出，随着同时申请升级的传感节点个数的增加，传感节点断网重启重连的概率也会随之增加；缩短固件数据申请帧的周期，在传感节点比较少的状况下极大地提高了OTA的性能。根据上述测试结果，确定一个协调器在同一时刻只允许5个传感节点同时升级的方案，且每个节点申请的时间间隔为100 ms。

4 ； 总结与展望

本论文提出了一种基于ZigBee网络OTA技术的改进方案，设计的方案具有多并发、高可靠、低功耗及通用性强的特点。文中对代码数据进行压缩处理，在代码量在很大的情况下，既可以实现传输数据量的减少，增加系统的稳定性和可靠性，又降低了硬件成本。对于数据的安全性，本文中没有涉及，目前系统没有采用特定加密算法，所以无线下载的安全性等方面有进一步的讨论空间。

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zigbee协议范文5

关键词ZigBee网络 路由协议 性能

随着信息技术和移动通信技术的快速发展，让无线通信技术在各行各业得到了广泛的应用。组网灵活、使用方便是无线传感器网络在实际应用中表现出来的主要特点。ZigBee协议的出现，可以让传统无线协议对无线传感器的适应问题得到有效解决。

1 ZigBee协议的概述

ZigBee技术不仅功耗、成本和速率均比较低，而且便于操作使用。而IEEE 标准具有数据传输率低、成本少、功耗低等特性，其最终目标就是为家庭或个人范围内各种设备之间的低速互连提供一个统一的标准。为了保证所制定出的应用层与网络层的规范能够匹配标准，ZigBee规范成为ZigBee联盟中不可缺少的因素。在与之有关的LR-WPAN网络中，标准编制了以下两种要素：

（1）系统的媒体接入控制子层；

（2）系统的物理层协议规范。

ZigBee联盟在这一前提下，所构建的应用层与网络层协议相关的规范构成了ZigBee协议。简言之，ZigBee协议是为适应标准而构建的网络层与应用层协议规范。其中，协议规范可以由以下几方面因素组成：

（1）应用支持子层；

（2）应用架构；

（3）ZigBee设备对象和厂商所定义的应用对象。

分层结构是这一协议所采用的主要结构。数据实体和管理实体这两种服务实体在这种结构的每一层都有所涉及。数据传输服务是数据实体所承担的主要形式。管理实体提供的服务中并没有涉及到数据传输服务。服务接入点是为上层提供接口的重要工具。服务原语命令是服务接入点实现自身功能的保障性因素。图1中的内容就是协议层之间的服务接口。

2 ZigBee网络拓扑

ZigBee网络拓扑结构主要由以下几种结构组成：

（1）星型结构；

（2）树形结构，

（3）网状结构。

如图2所示。

从图中所示的内容来看，中心协调器和终端节点是星型网络中的主要器件。这种中心协调器采用的是FFD节点，可以在整个网络的维护和建立过程中发挥出自身的功能。RFD和FFD是终端节点主要组成部分，一般的情况下，在中心协调器覆盖范围以内的区域是这两大节点的主要分布区域，@种便利性可以让这些节点与中心协调器进行有效通信的能力得到有效提升。两个不同设备之间进行通信的过程，也是两设备将各自所要传送的数据包向中心协调器进行传送的过程。可以说，中心协调器发挥的是一种中转作用。对中心协调器的中转功能进行发挥的网络系统又被称为主从网络。同步与控制的简单性特点是星型网的主要特点，这种网络体系目前仅能在一些拥有较少节点数量的场合中得到应用。网状网络是一种由多个FFD组合而成的骨干网络，各节点之间的通信完全对等，在整个通信范围内，各节点都可以与其它节点进行通信。如果其中一条路径发生故障，那么还可以选择其他一条或若干条路径。然而，正是因为两个节点之间的路径较多，所以显得冗余非常高。一般情况下，路由功能的实现，是网状网络构建过程中所遵循的一个重要原则，此种有助于网络层找到最佳的信息传递路径，事实上属于一种多信道通信。树状拓扑结构主要由以下三个部分组成：

（1）中心协调器；

（2）路由节点；

（3）终端节点。

在实际应用过程中，连接路由节点和终端节点的功能是该结构的主要功能。在路由节点成为中心协调器子节点的情况下，这一结构会借助一系列的终端节点与路由节点相连。终端节点不能涵盖自身的子节点，但路由节点与中心协调器可以涵盖自身的子节点。在树状拓扑结构中，各个节点只具备一种功能，就是实现子节点与父节点之间的通讯。在这样的情况下，如果要将一个节点中的数据传输到另一个节点，这种树状结构会让信息顺着树的路径进行输送。网络覆盖范围大是这一网络结构的主要特点。由于信息路由通道在该系统中存在单一性，随着网络覆盖范围增加，信息的传输时延也会有所增加，并且时间同步也会越来越繁琐。

3 ZigBee网络路由协议的性能

路由协议的基本思想

低成本、低功效和高可靠性是ZigBee网络路由协议的主要设计目标。树路由和按需距离矢量路由相结合的路由算法的构建，为上述目标的实现提供了帮助。在对ZigBee网络中使用的AODVjr与自组网中所应用的AODV协议进行对比分析以后，我们可以发现，AODVjr可以被看作是AODV的一种简化版本。在ZigBee网络中，节点之间存在一种类似于父子关系的从属关系。在依托路由算法进行路径选择的过程中，节点会在接收到分组信息以后对信息进行判断，如果发现其中的内容与自己无关，会把该信息传送给其父节点或其他子节点。为了对路由效率进行进一步的提升，AODVjr也会为一些具备路由功能的节点搜寻路由，也就是说，在传输信息的过程中，在不遵从父子从属关系的情况下，通过直接传递的方式将信息传送到其通信范围内的其他具备同样功能的节点的措施，是一些具备路由功能的节点进行信息传输的主要措施，而针对那些不具备路由功能的节点，则只能借助树路由来对控制分组与数据分组进行传输。

ZigBee的路由过程

在zigBee网络路由协议中，节点既具备路由表能力，又具有路由发现表能力，表1所示的内容为路由发现表的格式

从阶段网络层的数据帧获取情况来看，在网络层从更高层接受数据帧的情况下，广播发送是节点进行数据传送的主要方式。在接收节点为路由器或协调器的情况下，如果数据帧的目的节点是该节点的子节点，这一数据帧会被直接传送到目的地址之中。如果网络层接收的是来自低层的数据帧，数据帧的目的节点成为了系统对数据帧的发送方式进行确定的主要方式。在对一些具备路由功能的节点进行确定的过程中，系统会对目的地址在路由表中的地址加以核查，在节点目的地址的路由条目不确定的情况下，首先针对数据帧头系统需要对帧控制域中的路由发现标志进行核查，如果路由发现标志值为0，或者此节点缺少路由功能，则可采取树路由的方式传输数据帧；倘若该发现路由标志值为1，则该节点可根据路由发现的发起方式及条件来发起路由发现。针对目的地址的路由条目明确的节点，必须借助已有路由表条目进行路由传输。

如果网络层接收到来源于低层的数据帧，则是否需要转发该数据帧主要取决于该数据帧的目的节点是否是本地节点。在终端设备成为目的节点以后，设备在应用过程中出现的休眠问题会给信息的传输效率带来不利的影响。间接传递方式的应用，就成为了对休眠效应的不利影响进行规避的有效方式。数据帧头中的Discover Route字段决定着如何选取ZigBee网络层的具体路由方法。

路由选择

在节点的职能定义和工作状态存在一定差异性的情况下，路由策略选择就成为了zigBee网络路由协议性能的一种表现。路由选择策略主要由以下几种策略组成。

（1）抑制路由发现，这一性能是建立在已经存在的路由表基础之上的；

（2）使能路由的发现，即路由表中存在该路由地址，则按路由表执行，否则路由器进行初始化路由发现处理。如果路由表中的节点不具备初始路由的发现能力，系统会对树形路由进行运用；

（3）强制路由发现功能，在这一功能的作用下，不论相应的路由表是否存在，节点都会在对AODVjr路由算法进行强制应用的情况下进行初始化路由发现。可以说，数据驱动思想是与数据的传输种类和传输需要之间存在着一定的联系；

（4）树路由发现功能，即只应用树状路由方式发起路由发现，且不遵从现有的路由表。所谓的数据驱动思想就是指针对不同类型及需求的数据传递，可以采取多种路由方式。如果需要传递大量的数据，那么可以对使能路由发现功能加以选取，发现并构建最佳路径。如果需要传递控制数据或突发型数据，则可以对树路由发现功能与抑制路由发现功能加以选取，这两种路由发现功能能够实现快速响应，而且不需要构建路由表。如果需要更新路由表内的信息，那么可以对强制路由发现功能加以选取，以此来对路由表进行更新，对路由表加以重新构建。

4 结论

ZigBee结束对进场通信市场所表现出的低成本、低速率和低功耗的问题进行了有效解决。这一技术的应用，对低端无线传感器和控制网络设计的优化有着一定的促进作用。ZigBee通过结合ZigBee规范与标准，可以有效的实现数以万计的微波传感器之间进行协同通信。在当下ZigBee快速发展、不断优化的新时代下，ZigBee技术势必会为无线接入技术领域注入全新的活力，必将使人们的生活模式及工作模式发生翻天覆地的改变，促进社会以及经济建设更快、更好地发展。

参考文献

[1]张习胜。ZigBee无线网络协议的路由算法分析与实现[J].电子元器件应用，2010（07）：53-56.

[2]关学忠，张新城，孟伸伸。基于ZigBee技术的无线传感器网络路由算法的性能分析[J].自动化技术与应用，2017（03）：36-39.

作者简介

李玉林（1981-），男，湖南省永兴县人。硕士学位。现为湖南机电职业技术学院讲师。主要研究方向为计算机网络管理。