ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其應用探討

0引言

工業(yè)領(lǐng)域在現代化的進(jìn)程中通過(guò)引入各種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現了勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的下降。在這些技術(shù)中，最典型的就是數字化技術(shù)和現代通信技術(shù)。在現代工業(yè)數字化的基礎上，工業(yè)生產(chǎn)監控早已突破了單回路控制與監視的功能。隨著(zhù)計算機軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和工業(yè)綜合自動(dòng)化系統整合水平的不斷發(fā)展，對數據接口的開(kāi)放性、數據傳輸的實(shí)時(shí)性、數據連接的安全性等方面提出了更高的要求。許多大型企業(yè)其生產(chǎn)地域分散，業(yè)務(wù)分工復雜，往往設有一個(gè)或者多個(gè)控制中心，以及大量的現場(chǎng)數據采集點(diǎn)。這些采集點(diǎn)因分散而需要通過(guò)一定的通信手段來(lái)實(shí)現與中心控制單元間的數據交互，進(jìn)而實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。由于傳統有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )本身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò )覆蓋和網(wǎng)絡(luò )支持仍然是個(gè)難題。比如在某些工業(yè)現場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來(lái)以高度防止來(lái)自大多數工業(yè)設施中的機器或其它無(wú)線(xiàn)電控制設備的干擾，更有一些高速旋轉的設備根本無(wú)法通過(guò)電纜來(lái)傳輸數據信息。而無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)和無(wú)個(gè)人網(wǎng)技術(shù)卻能有效地提供對這些問(wèn)題的解決方案。在現有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展條件下，無(wú)線(xiàn)標準增加了靈活性，并降低了集成專(zhuān)利無(wú)線(xiàn)通信的風(fēng)險。在工控場(chǎng)合的應用條件下，短距離的無(wú)線(xiàn)傳輸尤其受到矚目。在最近的幾年中，人們不斷探索，形成了當今令人眼花繚亂的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議和產(chǎn)品。最流行的短距離無(wú)線(xiàn)數據通信的標準有藍牙（Bluetooth）、Wi-Fi（IEEE802.11）、IrDA以及極具發(fā)展潛力、已被眾多業(yè)界認可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。

1幾種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)及其比較

1.1藍牙（BlueTooth）

藍牙（BlueTooth）最早是愛(ài)立信在1994年開(kāi)始研究的一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無(wú)線(xiàn)模塊。1998年，愛(ài)立信、諾基亞、IBM等公司共同推出了藍牙技術(shù)，主要用于通信和信息設備的無(wú)線(xiàn)連接。

它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內。Bluetooth列入了IEEE802.15.1，規定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò )和應用層等集成協(xié)議棧。為對語(yǔ)音和特定網(wǎng)絡(luò )提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統開(kāi)銷(xiāo)，從而增加了系統成本和集成復雜性。另外，Bluetooth對每個(gè)“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7個(gè)節點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)中的應用。

1.2Wi-Fi（IEEE802.11）

Wi-Fi（WirelessFidelity，無(wú)線(xiàn)高保真）也是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。IEEE802.11的最初規范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術(shù)標準，其工作頻率也是2.4GHz。目前，IEEE802.11標準還沒(méi)有被工業(yè)界廣泛接受。

IEEE802.11流行的幾個(gè)版本包括“a”（在5.8GHz波段帶寬為54MBps）、“b”（波段2.4GHz帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz帶寬為22MBps）。這種復雜性為用戶(hù)選擇標準化無(wú)線(xiàn)平臺增加了困難。Wi-Fi規定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴(lài)TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò )層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)等，因此大多數便攜Wi-Fi裝置都需要常規充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應用。

1.3IrDA

紅外線(xiàn)數據協(xié)會(huì )IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。IrDA是一種利用紅外線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)。IrDA標準的無(wú)線(xiàn)設備傳輸速率已從115.2kbps逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設備（如PDA、手機）上被廣泛使用。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用成本低廉的特點(diǎn)。IrDA用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò )上的最大問(wèn)題在于只能在2臺設備之間連接，并且存在有視距角度等問(wèn)題。

1.4ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場(chǎng)合的無(wú)線(xiàn)方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)。另外，它可與254個(gè)節點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。節點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應用設備。它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監控、傳感器網(wǎng)絡(luò )、家庭監控、安全系統等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

幾種常用無(wú)線(xiàn)傳輸方式的主要性能比較見(jiàn)表1。

2ZigBee的技術(shù)內容及特點(diǎn)

ZigBee是最新確定的商業(yè)名稱(chēng)，在以前曾被發(fā)起者以“HomeRFlite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。

為了滿(mǎn)足類(lèi)似于傳感器的小型、低成本設備無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用，且復雜度、成本和功耗均很低的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。

ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導體生產(chǎn)商、IP服務(wù)提供商、消費類(lèi)電子廠(chǎng)商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像Mattel之類(lèi)的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開(kāi)發(fā)ZigBee物理和媒體控制層技術(shù)標準的IEEE802.15.4工作組。在工業(yè)、農業(yè)、車(chē)載電子系統、家用網(wǎng)絡(luò )、醫療傳感器和伺服執行機構等領(lǐng)域，對于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的要求與民用場(chǎng)合有很大區別。它通常對數據吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，簡(jiǎn)單方便、可以隨意使用的無(wú)線(xiàn)裝置大量涌現，需要布置大量的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，而低廉的價(jià)格將起著(zhù)關(guān)鍵作用。所以ZigBee標準要解決的問(wèn)題是設計一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無(wú)線(xiàn)收發(fā)信機。要考慮的核心問(wèn)題是低功耗和低價(jià)格的設計，這就要求該標準應提供低帶寬、低數據傳輸率的應用。

2.1ZigBee的特點(diǎn)

①低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠?jì)晒?號電池就可以維持長(cháng)達6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無(wú)線(xiàn)設備望塵莫及的。

②成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費的。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

③時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應用。

④網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)星型結構的ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可以容納254個(gè)從設備和一個(gè)主設備，而且網(wǎng)絡(luò )組成靈活。

⑤可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過(guò)程中出現問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。

⑥安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。

2.2ZigBee與IEEE802.15.4的聯(lián)系

人們常會(huì )把ZigBee和IEEE802.15.4等同起來(lái)，其實(shí)兩者之間還是有所區別的：

①ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)；

②ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò )和應用軟件；

③ZigBee基于IEEE802.15.4射頻標準，同時(shí)Zig-Bee聯(lián)盟通過(guò)與IEEE緊密工作來(lái)確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案；

④802.15.4工作組主要負責制定物理層（PHY）和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）層標準，而ZigBee負責網(wǎng)絡(luò )層和應用層的開(kāi)發(fā)。

圖1示意了ZigBee的結構和分工。

2.3802.15.4協(xié)議架構及其技術(shù)特點(diǎn)

IEEE802.15.4滿(mǎn)足國際標準組織（ISO）開(kāi)放系統互連（OSI）參考模式，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。ZigBee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應用規范、應用匯聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。

2.3.1物理層

IEEE802.15.4提供了圖2所示的兩種物理層的選擇（868/915MHz和2.4GHz），物理層與MAC層的協(xié)作擴大了網(wǎng)絡(luò )應用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴頻（DSSS）技術(shù)，降低了數字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結構，以便低作業(yè)周期、低功耗地運作。

圖2兩種不同的物理層



2.4G物理層的數據傳輸率為250kbps，868/915MHz物理層的數據傳輸率分別是20kbps、40kbps。2.4GHz物理層的較高速率主要歸因于基于DSSS方法（16個(gè)狀態(tài)）的準正交調制技術(shù)。來(lái)自物理層收斂協(xié)議數據單元（PPDU）的二進(jìn)制數據被依次（按字節從低到高）組成4位二進(jìn)制數據符號，每種數據符號（對應16狀態(tài)組中的一組）被映射成32位偽噪音碼片，以便傳輸。然后采用最小移位鍵控方式MSKI對這個(gè)連續的偽噪音碼片序列進(jìn)行調制，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控（O-QPSK）方式調制。868/915MHz物理層使用簡(jiǎn)單DSSS方法，每個(gè)PPDU數據傳輸位被最大長(cháng)為15的碼片序列（m-序列）所擴展。不同的數據傳輸率適用于不同的場(chǎng)合，如868/915MHz物理層的低速率換取了較好的靈敏度（-85dbm/2.4G，-92dbm/868，915MHz）和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區域所需的節點(diǎn)數；而2.4G物理層的較高速率適用于較高的數據吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。

2.3.2介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層

ZigBeeMAC層的設計需要考慮到降低成本、容易實(shí)現、可靠的數據傳輸、短距離操作及非常低的功耗等要求，為此采用了如下所示的簡(jiǎn)單且靈活的協(xié)議：

①采用IEEE標準64-bit和16-bit短地址；

②基本網(wǎng)絡(luò )容量可以達到254節點(diǎn)；

③可以配置使用大于65，000（216）節點(diǎn)的本地簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò )，而且開(kāi)銷(xiāo)不大；

④網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、全功能設備（FFD）和簡(jiǎn)化功能設備（RFD）等3種指定設備；

⑤簡(jiǎn)化幀結構；

⑥可靠的數據傳輸；

⑦聯(lián)合/分離；

⑧AES-128安全機制；

⑨CSMA-CA通道；

⑩可選的使用信標的超級幀結構。

IEEE802.15.4MAC子層定義了廣播幀、數據幀、確認幀和MAC命令幀等4種幀類(lèi)型。只有廣播幀和數據幀包含了高層控制命令或者數據，確認幀和MAC命令幀則用于ZigBee設備間MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數據幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經(jīng)通過(guò)了CRC校驗，接收方將立即發(fā)送確認幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內收不到確認幀，將自動(dòng)重傳該幀。這就是MAC子層可靠傳輸的基本過(guò)程。MAC層的通用幀格式如圖3所示。



2.3.3網(wǎng)絡(luò )層
網(wǎng)絡(luò )層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標準定義了LLC，并且通用于諸如802.3、802.11及802.15.1等ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其應用探討周怡P，等802系列標準中，而MAC子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同物理層的實(shí)現而變化。網(wǎng)絡(luò )層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務(wù)。



IEEE802.15.4標準草案支持多種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，包括圖4所示的新型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )（Mesh）。計算機外圍設備等要求低延遲等待接入的應用一般采用星型網(wǎng)絡(luò )結構，而其它一些應用，如周邊安全等可能要求大面積網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的覆蓋。多址的形式包括IEEE標準64位和短地址8位。

3結束語(yǔ)

ZigBee是一個(gè)針對傳感器網(wǎng)絡(luò )、建筑自動(dòng)化等應用的短距離無(wú)線(xiàn)技術(shù)規范。ZigBee是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，是為滿(mǎn)足小型、廉價(jià)設備的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。它按高度省電要求設計，因此低功耗和較低數據傳輸率意味著(zhù)不會(huì )和Wi-Fi等其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)競爭，而是作為傳感路網(wǎng)絡(luò )等應用的性?xún)r(jià)比較高的方案。業(yè)界對它在上述領(lǐng)域的應用進(jìn)展充滿(mǎn)信心。