基于ZigBee的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計

　　一、引言　　　　

　　長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高?！　　　?br /> 　　
　　一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)用設(shè)備控制等。 　　

　　二、IEEE 802.15.4和ZigBee介紹　　　　

　　IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場對象?！　　　?/p>

　　2.1 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點　　　　

　　IEEE802.15.4滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層。IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。

　　IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小因此可以降低對接收機靈敏度的要求獲得較遠的有效通信距離從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。 　　

　　2.2 ZigBee技術(shù)概述　　　　

　　ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。　　　　

　　完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。　　　　

　　應(yīng)用會聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：　　　　

　　（1）安全與鑒權(quán)；　　　　

　?。?）多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚；　　　　
　　
　?。?）設(shè)備發(fā)現(xiàn)；　　　　

　?。?）業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)?！　　　?/p>

　　網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能：　　　　

　?。?）通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全；　　　　
　　（2）同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電；　　　　

　?。?）有自組織、自維護功能，以最大程度減少消費者的開支和維護成本?！　　　?/p>

　　相對于常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單，其具體實現(xiàn)的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計：　　　　

　?。?）8位處理器，如80c51；　　　　

　?。?）協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM；　　　　

　?。?）最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM；　　　　

　?。?）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。　　　　

　　2.3 整個協(xié)議構(gòu)架　　　　

　　在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定，其中實體層、MAC層、資料鏈結(jié)層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo)，并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研討，而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求，為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用介面（如圖二所示）： 　

　　2.4 IPV6 Over 802.15.4 　　　　

　　ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術(shù)，到2007年將達到30億節(jié)點。具有幾十億個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設(shè)計過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft，其標(biāo)準(zhǔn)也不久將出臺。