1、 （ （英文参考文献及译文） 二 一 五 年 六 月 本科 毕业论文 学校代码： 10128 学 号： 201110107012 题 目： ZigBee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks 学 生 姓 名 ： 王金 学 院 ： 机械学院 系 别： 测控系 专 业： 测 控 技 术 与 仪器 班 级： 测控 11-2 指 导 教 师 ： 王颖 讲师 内蒙古工业大学本科毕业论文 1 文献翻译 译文 ZigBee：无线技术，低功耗传感器网络 加里莱格 美国东部时间 2004 年 5 月 6 日上午 12:00 技师（工程师）们在发掘无
2、线传感器的潜在应用方面从未感到任何困难。例如，在家庭安全系统方面，无线传感器相对于有线传感器更易安装。而在有线传感器的装置通常占无线传感器安装的费用 80%的工业环境方面同样正确。而且相比于有线传感器的不切实际甚至是不肯能而言，无线传感器更具应用性。 虽然，无线传感器需要消耗更多能量，也就是说所需电池的数量会随之增加或改变过于频繁。再加上对无线传感器由空气传送的数据可靠性的怀疑论，所以无线传感器看起来并不是那么吸引人。 一个低功率无线技术被称为 ZigBee。一个安全的网络技术，最近通 过的 IEEE 802.15.4 无线标准（图 1）， ZigBee 的承诺，把无线传感器的一切从工厂自动化
3、系统到家庭安全系统，消费电子产品 包括进来 。与 802.15.4 的合作下， ZigBee 提供具有电池寿命可比普通小型电池的长几年。 ZigBee 设备预计也便宜，有人估计销售价格最终不到 3 美元每节点 。由于价格低，他们应该是一个自然适应于在光线如无线交换机，无线自动调温器，烟雾探测器和家用产品。 （图 1） 虽然还没有正式的规范的 ZigBee 存在（由 ZigBee 联盟是一个贸易集团，批准应该在今年年底）， 但 ZigBee 的前景似乎一片光明。技术研究公司 In-Stat/MDR 在它内蒙古工业大学本科毕业论文 2 所 谓 的 “ 谨慎进取 ” 的预测 中 预测， 802.15
4、.4 节点和芯片销售将从今天基本上为零，增加到 2010年的 165万台 。 不是所有这些单位都将与 ZigBee结合，但 大多数 可能会。世界研究公司预测的到 2010 年射频模块无线传感器出货量 4.65 亿美量， 其中 77是 ZigBee 的相关。 （图 2） 从某种意义上说， ZigBee 的光明前途在很大程度上是由于其较低的数据速率 20 kbps 到 250 kbps 的，用于取决于频段频率 （图 2） ，比标称 为 1 Mbps 的蓝牙和 54 Mbps的 Wi - Fi 的技术 数据速率低 。 ZigBee 的不 能 像 Wi-Fi 一样 发送电子邮件和大型文件，或 像 蓝牙
5、一样 传送 文件和音频。对于发送传感器的读数，这是典型的数万字节数，高带宽是没有必要， ZigBee 的低带宽有助于它实现其目标和鲁棒性的低功耗，低成本 。 由于 ZigBee 应用的 是 低带宽要求， ZigBee 节点大部分时间可以 睡眠模式 ，从而节省电池电源，然后醒来，快速发送数据，回去 睡眠模式 。而且，由于 ZigBee 可以从睡眠模式过渡到 15 毫秒或更少主动模式下，即使是睡眠节点 也 可以达到适当的低延迟。有人扳动支持 ZigBee 的无线光开关，例如，将不会是一个唤醒延迟知道前灯亮起。与此相反，支持蓝牙唤醒延迟通常大约三秒钟。 一个 ZigBee 的功耗节省很大一部分来自
6、802.15.4 无线电技术，它本身是为低功耗设计 的 。 802.15.4 采用 DSSS（直接序列扩频）技术，例如，因为（跳频扩频）另类医疗及社会科学院将在保持一样使用它的频率过大的权力同步。 ZigBee 节点，使用 802.15.4， 是 几个不同的沟通方式之一，然而，某些方面比别人 拥有 更多的使用权力。因此， ZigBee 的用户不一定能够实 现传感器网络上的任何方式选择和他们仍然期望多年的电池寿命是 ZigBee 的标志。事实上，一些技术专家 打算用 小型无线传感器 创建大的网络 ， 即使功率 ZigBee 的电池需求很大。 一个 ZigBee 网络节点可以消耗额外的功率，例如，
7、如果它试图避免与其他节点的传输或与其他无线电源传输重叠的传输。 那么 在 ZigBee 802.15.4 无线电的使用实现 CSMA / CA（载波侦听多址接入冲突避免）技术，与 ZigBee 节点使用 CSMA / CA内蒙古工业大学本科毕业论文 3 是基本上采取了听先于谈话的方式，看是否有无线电通信已经展开。但是，传感器营销公司恩贝尔公司副总裁兼 ZigBee 联盟的副主席 Venkat Bahl 正如所指出的 ，这不是一个首选的方法。 “ 有听 意见 的权力， ”Bahl 说， “ 我们不喜欢这样做。 ” ZigBee 和 802.15.4 通讯的另一个选择是指路明灯模式，通常睡觉 模式
8、 醒来网络节点定期从网络的控制节点 接收同步 “ 灯塔 ” 的指令 。但是，也因为时间的不确定性，特别是 支配 节点打开，以免错过早期一盏明灯。 争议中的通信 为了尽可能节省电力 ， ZigBee 采用一种简单交际策略 ,talk-when-ready 发送数据时 ,数据准备派遣然后就等着自动确认。两 ZigBee 联盟主席和电子802.15,talk-when-ready 是 “ 开门见山地 ” 计划 ,但却是一种很 有电力 效率 的 策略 。“ 我们在广泛的分析 ,得出 了最好的节能策略 ”Heile 说。 “ 我们发现 ,我们在发送才离开那包东西和承认它。如果你不想让他 查询反馈 信息
9、,它只表示你 接收 失败 ,所以重发给你。你有更好的电源管理 ， 并确定它是否安静，然后再 确定 。 ” 幸运的是，这种当面策略导致 RF 干扰非常小。这主要是因为 ZigBee 节点具有非常低的占空比， 只偶尔传输发送少量的数据 。其他 ZigBee 节点，以及 Wi - Fi 和蓝牙模块，可以轻松应付这么小，频繁爆发。 ZigBee 的通话时就绪计划并不适合所有的目的，但是 ， 例如，在成千上万的微型传感器网络进入战区下降到监视敌方部队调动，积蓄力量提供的仍可能是不够的。每个网络节点周期性地发送和反复通过网状网络配置中的其他节点附近多次以达到网络控制器的大碰撞和重发的数据包数量可能会浪费功
10、率，并显着缩短传感器节点的电池寿命传输数据。如果传感器电池非常小，功率有限，这特别成问题。 虽然大气电波访问 竞争 不是一般意义上的 ZigBee 问题，都可以。传感器网络公司尘埃网络，说是保持竞争问题，从该公司的 ZigBee 转向为现在，尘土纵然仍是ZigBee 联盟的成员。每个 ZigBee 设备需要与邻国争夺领空， Dust 产品管理总监罗伯特 说：有一些争论，一些不可避免的低效率。为了避免 ZigBee 的访问的争夺， 通信 使用免费的 TDMA（时分多址）技术。 ZigBee 的 802.15.4 MAC 层通过提供担保的计划，有点类似于 TDMA 的时隙，但只是作为一个可选的 “
11、 超码 ” 那更复杂，更省电，比 TDMA 的有效组成部分。 内蒙古工业大学本科毕业论文 4 它减少了对功能设备 来进行节能控制 ，除了更强大的全功能设备（ FFDs）在ZigBee 元件提供电力的消耗。每个 ZigBee 网络至少需要一个控制器作为一个发展筹资，但 有 大多数网络节点 的 RFDs 可以 （图 3）。 它们含有 比 FFDs 较少的电路， 很少或没有功率消耗 的 内存。 （图 3） ZigBee 的节省，减少了相关处理仍然需要更多的权力。简单的 8 位像 8051 处理器可以处理家务容易的 ZigBee 和 ZigBee 协议栈占用很少的内存。发展筹资的一个堆栈，例如，大概需
12、要 32 字节，一个 RFD 的堆栈只需要 4 字节。 从 ZigBee 的比较简单的实现，节约了成本，自然产生。 RFDs，减少漏报 ZigBee的内存和其他电路元件成本，以及简单的 8 位处理器和小协议栈帮助保持系统成本。通常，一个应用程序的主处理器可以很容易地承担了 ZigBee 的处理功能 ， 额外的负载小，使得 ZigBee 不必要 添加 单独的处理器。 但是，保持 ZigBee 的低价格 的 主要策略是 因为 有很大的市场和高容量。 ZigBee联盟 ， 通过一个开放的标准，并通过大力推进 ZigBee 设备之间的互操作性， ZigBee的预期 应用非常大 ，如家庭与楼宇自动化应用
13、。该联盟目前正在为这些特 殊应用 努力 ，它预计将 在 今年 较迟时与 ZigBee 规范 1.0 的互操作性的程序 一起完 成。 一个有关的 ZigBee 家庭自动化与安全通过乐观的原因是它的易 用 性。 ZigBee 网络的自我形成，使消费者更容易对它们进行设置。 “ 在居住空间，有没有配置参与 ”ZigBee 联盟的 Heile 说。 “ 你 从箱子拿一些东西 ， 放 电池 进去 ，可能做一些简单的按钮 操作 ，按下安全带来 使 两个设备并拢，按动按钮，直到绿色灯光来，你就完成了。 ” ZigBee 网络还可以自行在商业和工业环境的形式，但专业安装人员将有特别的安全工具，提供额外的控制。
14、 ZigBee 是安全灵活的， Heile 说，给消费者和专业用户内蒙古工业大学本科毕业论文 5 他们需要 的 。 “ 你不必有 128 位公共密钥加密的烟雾探测器， ” 他说， “ 但如果我在一幢 复杂的 高层办公楼，这正是我的安全级别将有 荧光灯 。如果你在第五大道上的高层建筑里，你不想去 安排 人 到 街上，把你的灯关了。 专利 竞争 ZigBee 的 竞争 几乎完全来 自主 专有技术。传感器公司 Dust，如上所述，是坚持使用自己的技术， 显然的 ，虽然强烈的推到 ZigBee舞台上，计划继续提 供其专有 Ember Net 设备。 通过提供互操作性，但 ZigBee 的补充能力，专利
15、产品不能。举例说， Ember 的义巴尔，互操作性允许照明系统的 ZigBee 节点的工作，在一个空调系统的 ZigBee网络，反之亦然。 “ 飞利浦照明是真的对这个很兴奋， ” 义巴尔说， “ 因为原来从一到建筑物的自动化系统的基础设施骨干镇流器生产厂家他们。 ” 不用说，主要的半导体公司很多，尤其是那些在嵌入式系统公司中大都热切期待ZigBee 的投入并且大规模进入市场。飞思卡尔半导体（直到最近，摩托罗拉半导体产品部称）已经提供 ZigBee - ready 技术来选择客户。其他半导体公司，包括 AMI，爱特梅尔，微芯片，飞利浦，瑞萨，都是 ZigBee 联盟的成员。 ZigBee 可能是
16、缓慢渗透到无线传感器的工业市场，但是。据对世界市场研究公司，它会需要五至七年来说服客户在工业上的可靠性，耐用性，以及无线传感器系统的安全。并显著预测在整个世界中 ZigBee 将长期在工业制造上有增长，因此。到 2010年，公司项目，射频模块，应用于工业监控和控制得将达到 1.65 亿台，同比增长 190万元，在世界性预测中，在 2004 年。大约 75的将基于 ZigBee 和 802.15.4。 最终， ZigBee 的可进入各种广泛的应用。家用电器，它可以帮助监测和控制能源消耗。在汽车应用中，它可以提供轮胎压力监测和远程无钥匙进入系统。也可用于ZigBee 的医疗设备中，甚至在计算机外围
17、设备，如无线键盘或鼠标。 值得关注的是越来越多，虽然， ZigBee 的可能变成一种适合所有的技术的尺寸，并不很适合任何应用程序。一些持怀疑态度，例如，企图使 ZigBee 无所不包的 想法可能使 ZigBee 协议栈太大， ZigBee 的双重目标是非常低 的 功耗和非常低的成本。如果出现这种情况，那么 ZigBee 的低功耗，低数据 速率利基窄，如果它是，将被证明是过于宽泛的。然后，也许我们会需要另一种无线标准，以配合我们已经有的蓬勃发展的人数。 加里莱格是一家位于波士顿的自由撰稿人。他拥有电子工程学士学位，曾任编辑，EDN 杂志执行编辑 。 内蒙古工业大学本科毕业论文 1 原文 ZigB
18、ee: Wireless Technology for Low-Power Sensor Networks Gary Le gg 5/6/2004 12:00 AM EDT Technologists have never had trouble coming up with potential applications for wireless sensors. In a home security system, for example, wireless sensors would be much easier to install than sensors that need wiri
19、ng. The same is true in industrial environments, where wiring typically accounts for 80% of the cost of sensor installations. And then there are applications for sensors where wiring isnt practical or even possible. The problem, though, is that most wireless sensors use too much power, which means t
20、hat their batteries either have to be very large or get changed far too often. Add to that some skepticism about the reliability of sensor data thats sent through the air, and wireless sensors simply havent looked very appealing. A low-power wireless technology called ZigBee is rewriting the wireles
21、s sensor equation, however. A secure network technology that rides on top of the recently ratified IEEE 802.15.4 radio standard (Figure 1), ZigBee promises to put wireless sensors in everything from factory automation systems to home security systems to consumer electronics. In conjunction with 802.
22、15.4, ZigBee offers battery life of up to several years for common small batteries. ZigBee devices are also expected to be cheap, eventually selling for less than $3 per node by some estimates. With prices that low, they should be a natural fit even in household products like wireless light switches
23、, wireless thermostats, and smoke detectors. 内蒙古工业大学本科毕业论文 2 Figure 1: ZigBee adds network, security, and application-services layers to the PHY and MAC layers of the IEEE 811.15.4 radio Although no formal specification for ZigBee yet exists (approval by the ZigBee Alliance, a trade group, should co
24、me late this year), the outlook for ZigBee appears bright. Technology research firm In-Stat/MDR, in what it calls a “cautious aggressive“ forecast, predicts that sales of 802.15.4 nodes and chipsets will increase from essentially zero today to 165 million units by 2010. Not all of these units will b
25、e coupled with ZigBee, but most probably will be. Research firm ON World predicts shipments of 465 million wireless sensor RF modules by 2010, with 77% of them being ZigBee-related. In a sense, ZigBees bright future is largely due to its low data rates 20 kbps to 250 kbps, depending on the frequency
26、 band used (Figure 2) compared to a nominal 1 Mbps for Bluetooth and 54 Mbps for Wi-Fis 802.11g technology. But ZigBee wont be sending email and large documents, as Wi-Fi does, or documents and audio, as Bluetooth does. For sending sensor readings, which are typically a few tens of bytes, high bandw
27、idth isnt necessary, and ZigBees low bandwidth helps it fulfill its goals of low power, low cost, and robustness. Figure 2: ZigBees data rates range from 20 kbps to 250 kbps, depending on the frequency used 内蒙古工业大学本科毕业论文 3 Because of ZigBee applications low bandwidth requirements, a ZigBee node can
28、sleep most of the time, thus saving battery power, and then wake up, send data quickly, and go back to sleep. And, because ZigBee can transition from sleep mode to active mode in 15 msec or less, even a sleeping node can achieve suitably low latency. Someone flipping a ZigBee-enabled wireless light
29、switch, for example, would not be aware of a wake-up delay before the light turns on. In contrast, wake-up delays for Bluetooth are typically around three seconds. A big part of ZigBees power savings come from the radio technology of 802.15.4, which itself was designed for low power. 802.15.4 uses D
30、SSS (direct-sequence spread spectrum) technology, for example, because the alternative FHSS (frequency-hopping spread spectrum) would have used too much power just in keeping its frequency hops synchronized. ZigBee nodes, using 802.15.4, can communicate in any of several different ways, however, and
31、 some ways use more power than others. Consequently, ZigBee users cant necessarily implement a sensor network any way they choose and still expect the multiple-year battery life that is ZigBees hallmark. In fact, some technologists who are planning very large networks of very small wireless sensors
32、say that even ZigBee is too power hungry for their uses. A ZigBee network node can consume extra power, for example, if it tries to keep its transmissions from overlapping with other nodes transmissions or with transmissions from other radio sources. The 802.15.4 radio used by ZigBee implements CSMA
33、/CA (carrier sense multiple access collision avoidance) technology, and a ZigBee node that uses CSMA/CA is essentially taking a listen-before-talk approach to see if any radio traffic is already underway. But, as noted by Venkat Bahl, marketing vice president for sensor company Ember Corp. and vice
34、chairman of the ZigBee Alliance, thats not a preferred approach. “Having to listen burns power,“ says Bahl, “and we dont like to do that.“ Another ZigBee and 802.15.4 communications option is the beacon mode, in which normally sleeping network slave nodes wake up periodically to receive a synchroniz
35、ing “beacon“ from the networks control node. But listening for a beacon wastes power, too, particularly because timing uncertainties force nodes to 内蒙古工业大学本科毕业论文 4 turn on early to avoid missing a beacon. In-Your-Face Communication To save as muc h pow er as possible, ZigBee employs a talk-when-read
36、y communic ation strategy, simply sending data w hen it has data ready to send and then w aiting for an automatic acknow ledgement. Acc ording to Bob Heile, who is c hairman of both the ZigBee Allianc e and IEEE 802.15, talk-w hen-ready is an “in-your-fac e“ scheme, but one thats very pow er effic i
37、ent. “We did an extensive analysis that led to the best power-saving strategy in various kinds of environments from quiet to noisy,“ Heile says. “We discovered that, hands down, we w ere better off just sending the pac ket and ac know ledging it. If you dont get an ack, it just means you got c lobbe
38、red, so send it again. You w ind up having much better power management than if you listen and determine if its quiet before you talk.“ Fortunately, this in-your-face strategy leads to very little RF interference. Thats largely because ZigBee nodes have very low duty cycles, transmitting only occasi
39、onally and sending only small amounts of data. Other ZigBee nodes, as well as Wi-Fi and Bluetooth modules, can easily deal with such small, infrequent bursts. ZigBees talk-when-ready scheme doesnt suit all purposes, however. For example, in a network of thousands of tiny sensors dropped into a war z
40、one to monitor enemy troop movements, the power savings provided still might not be enough. With each network node sending data periodically and with transmissions repeated numerous times through other nearby nodes of a mesh network configuration in order to reach a network controller large numbers
41、of packet collisions and retransmissions could waste power and significantly shorten sensor node battery life. If the sensor batteries are very small and power-limited, thats especially problematic. Although contention for airwave access isnt generally a problem for ZigBee, it can be. Sensor-network
42、 company Dust Networks, in fact, says contention issues are keeping the company from turning to ZigBee for now, at least even though Dust remains a member of the ZigBee Alliance. “Each ZigBee device needs to contend for airspace with its neighbors,“ says Dust director of product management Robert Shear, “so theres inevitably some contention and some inefficiency.“ To avoid ZigBees access contention, Dust uses contention-free TDMA (time division
