1、引言
建立基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對控制裝置的數(shù)據(jù)上傳，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測，形成一個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)代企業(yè)工業(yè)化管理的特征。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線技術(shù)以及智能傳感器技術(shù)的相互滲透、結(jié)合，無線通訊技術(shù)逐漸在工業(yè)控制領(lǐng)域，為各種智能現(xiàn)場設(shè)備、移動機(jī)器人以及各種自動化設(shè)備之間的通信提供無線數(shù)據(jù)鏈路，特別是在一些特殊環(huán)境下彌補(bǔ)有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進(jìn)一步完善工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的通信性能，成為工業(yè)通信的新寵。在GPRS、藍(lán)牙、WiFi、ZigBee等無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，ZigBee以功耗低、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)容量大、時(shí)延小、成本低等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)通信領(lǐng)域脫穎而出。
ZigBee是由ZigBee Alliance(ZigBee聯(lián)盟)制定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一種近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線接入技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域。ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，采用了 IEEE802. 15. 4協(xié)議作為其物理層和媒體接入層規(guī)范。在其基礎(chǔ)之上，ZigBee聯(lián)盟制定了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用編程接口(API)規(guī)范,并負(fù)責(zé)高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作。
2、IEEE802.15.4協(xié)議
2.1 物理層
IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4 GHz物理層和868/915MHz物理層。兩個(gè)物理層都基于DSSS(Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，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(kuò)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，劃分成l6個(gè)信道, 碼元速率為62.5kbaud，采用了l6進(jìn)制正交調(diào)制，用碼片長度為8的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻技術(shù),能夠提供250kb/s的傳輸速率.868MHz頻段是歐洲的ISM 頻段，有1個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s。915MHz頻段是美國的ISM頻段，劃分為10個(gè)信道, 數(shù)據(jù)傳輸速率為40kb/s。 后2個(gè)頻段均采用了差分編碼的二進(jìn)制移相鍵控(BPSK)調(diào)制，用碼片長度為15的M序列直接擴(kuò)頻。這兩個(gè)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。物理層的主要功能包括：數(shù)據(jù)的調(diào)制，激活和休眠射頻收發(fā)器,信道能量檢測,信道接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示,空閑信道評估,收發(fā)數(shù)據(jù)等。
2.2 數(shù)據(jù)鏈路層
數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測、介質(zhì)訪問和差錯(cuò)控制等。IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分為媒質(zhì)接入子層MAC和邏輯鏈路控制子層LLC。MAC子層依賴于物理層提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間無線鏈路的建立與拆除、數(shù)據(jù)幀傳輸?shù)?LLC子層在MAC子層的基礎(chǔ)上，為設(shè)備提供連接服務(wù)，由IEEE802.6定義，為IEE802系列標(biāo)準(zhǔn)公用。鏈路層通過兩個(gè)服務(wù)訪問點(diǎn)(SAP)訪問高層，通用部分SAP(MCPS-SAP)訪問數(shù)據(jù)服務(wù)，管理實(shí)體SAP(MLME-SAP)訪問管理服務(wù)。ZigBee/IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都工作在同一個(gè)信道上，當(dāng)鄰近的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就有可能發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。為此MAC層采用了載波偵聽/沖突檢測(CSMA/CA)技術(shù)避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突。簡單來說，就是節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就要進(jìn)行隨機(jī)的退避，即延遲一段隨機(jī)時(shí)間，然后再進(jìn)行監(jiān)聽，通過這種信道接入技術(shù)，所有節(jié)點(diǎn)競爭共享同一個(gè)信道。
IEEE 802.15.4的MAC層定義了4種基本幀結(jié)構(gòu):
● 信標(biāo)幀，供協(xié)商者使用。
● 數(shù)據(jù)幀，承載所有的數(shù)據(jù)。
