基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)及應用

　　長(cháng)期以來(lái),低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無(wú)線(xiàn)通訊市場(chǎng)一直存在著(zhù)。自從Bluetooth出現以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下,嚴重影響了這些廠(chǎng)商的使用意愿。如今,這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規范是一種經(jīng)濟、高效、低數據速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無(wú)線(xiàn)技術(shù),用于個(gè)人區域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。它是ZigBee應用層和網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的基礎。 ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù),它是一種介于無(wú)線(xiàn)標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它依據802.15.4標準,在數千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調實(shí)現通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波將數據從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,所以它們的通信效率非常高。
　　一般而言,隨著(zhù)通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數據速率和通信范圍較小的特點(diǎn),也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車(chē)自動(dòng)化、農業(yè)自動(dòng)化和醫用設備控制等。
1 IEEE 802.15.4和ZigBee介紹
　　IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標準是ZigBee技術(shù)的基礎。802.15.4標準旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設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、庫存跟蹤監測等消費與商業(yè)應用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò )是其主要市場(chǎng)對象。
1.1 802．15．4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。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示) 。 ZigBee Profiles
網(wǎng)絡(luò )應用層
數據鏈路層
IEEE802.15.4 LLC 802.2LLC
IEEE802.15.4 MAC
868/915 PHY 2400 PHY

圖1 IEEE802.15.4協(xié)議架構

　　IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準,通過(guò)SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì )聚子層)協(xié)議承載IEEE802.2類(lèi)型一的LLC標準,同時(shí)允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。表1列出了IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能。
表1 IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能

　LLC子層的主要功能: 　IEEE802.15.4的MAC協(xié)議主要功能:

　傳輸可靠性保障和控制 　設備間無(wú)線(xiàn)鏈路的建立、維護和結束

　數據包的分段與重組 　確認模式的幀傳送與接收

　數據包的順序傳輸 　信道接入控制

　幀校驗

　預留時(shí)隙管理

　廣播信息管理 52RD

　　IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標準,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據包格式,區別在于工作頻率、調制技術(shù)、擴頻碼片長(cháng)度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統一的無(wú)需申請的ISM頻段,有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)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(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線(xiàn)通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s,916MHz是40kb/s。這兩個(gè)頻段上無(wú)線(xiàn)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備覆蓋給定的區域。表2中概括了802．15．4的一些特點(diǎn)。
表2 IEEE802.15.4標準的主要技術(shù)特征

　復雜程度 　比現有標準低 　通信時(shí)延 　≥15ms

　目的 　只支持數據通信 　功耗 　約45μs

　頻段,數據率 　868MHz:20kbps 1 　MAC的控制方式 　

　及信數 　925MHz:40kbps 10
　2.4GHz:250kbps 16 　星型網(wǎng)絡(luò ),對等網(wǎng)絡(luò ) 　

　每個(gè)網(wǎng)絡(luò )
　支持節數 　65536 　尋址方式 　64bit IEEE地址,
　8bit網(wǎng)絡(luò )地址

　連接層結構 　開(kāi)放式 　溫度 　-40℃～85℃

　傳輸范圍 　室內:10m速率
　250kbps;+0dBmTX
　室外:30m～75m速率
　 40kbps;
　 300m速率,20kbps 　應用 　傳感器,玩具,
　控制領(lǐng)域… 52RD

1.2 ZigBee技術(shù)概述
　　ZigBee是一組基于IEEE批準通過(guò)的802.15.4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的,有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。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(jìn)行了標準化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設備的基本節點(diǎn)的4K字節或者作為Hub或路由器的協(xié)調器的32K字節。每個(gè)協(xié)調器可連接多達255個(gè)節點(diǎn),而幾個(gè)協(xié)調器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò ),對路由傳輸的數目則沒(méi)有限制。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層,以保證這種便攜設備不會(huì )意外泄漏其標識,而且這種利用網(wǎng)絡(luò )的遠距離傳輸不會(huì )被其它節點(diǎn)獲得。
　　完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據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負責物理層和鏈路層標準。
　　應用會(huì )聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò )上,具體而言包括:
　　(1) 安全與鑒權;
　　(2) 多個(gè)業(yè)務(wù)數據流的會(huì )聚;
　　(3) 設備發(fā)現;
　　(4) 業(yè)務(wù)發(fā)現。
　　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,應包含以下功能:
　　(1) 通用的網(wǎng)絡(luò )層功能:拓撲結構的搭建和維護,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標準一樣,非常省電;
　　(3) 有自組織、自維護功能,以最大程度減少消費者的開(kāi)支和維護成本。
　　相對于常見(jiàn)的無(wú)線(xiàn)通信標準,Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單,其具體實(shí)現的要求很低,以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計:
　　(1) 8位處理器,如80c51;
　　(2) 協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM;
　　(3) 最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM;
　　(4) 網(wǎng)絡(luò )主節點(diǎn)需要更多的RAM,以容納網(wǎng)絡(luò )內所有節點(diǎn)的設備信息、數據包轉發(fā)表、設備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。
1.3 整個(gè)協(xié)議構架
　　在標準制定的分工上,由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定,其中實(shí)體層、MAC層、資料鏈結層,以及傳輸過(guò)程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導,并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進(jìn)行研討,而未來(lái)還能依系統客戶(hù)的需求,為不同應用修正其所需之應用界面。ZigBee從802.15.4標準開(kāi)始著(zhù)手,目前正在定義允許不同廠(chǎng)商制造的設備相互對話(huà)的應用綱要。
1.4 IPV6 Over 802.15.4
　　ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個(gè)電子設備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。它預言ZigBee將很快成為全球高端的無(wú)線(xiàn)技術(shù),到2007年將達到30億節點(diǎn)。具有幾十億個(gè)節點(diǎn)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(lài)于IPv6。IPv6采用128位地址長(cháng)度,幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6實(shí)際可為整個(gè)地球的每平方米面積分配1000多個(gè)地址。IPv6在設計過(guò)程中,除了一勞永逸地解決了地址短缺問(wèn)題以外,還考慮了在IPv4中解決不好的其他問(wèn)題,如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量(QoS)、安全性、多播、移動(dòng)性、即插即用等。因此,將IPV6和802.15.4的結合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft,其標準也不久將出臺。
2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢及應用
2.1 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較
　　IEEE 802.15.4和ZigBee從一開(kāi)始就被設計用來(lái)構建包括恒溫裝置,安全裝置和煤氣讀數表等設備的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢決定的:
　　(1) 數據傳輸速率低:只有10k字節/秒到250k字節/秒,專(zhuān)注于低傳輸應用。
　　(2) 功耗低:在低耗電待機模式下,兩節普通5號干電池可使用六個(gè)月到兩年,免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。
　　(3) 成本低:ZigBee數據傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn)單,所以大大降低了成本。且免收專(zhuān)利費。
　　(4) 網(wǎng)絡(luò )容量大:每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )最多可支持255個(gè)設備。
　　(5) 時(shí)延短:通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。
　　(6) 安全:ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能,采用AES-128加密算法。
　　(7) 有效范圍小:有效覆蓋范圍10～75米之間,具體依據實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
　　(8) 工作頻段靈活:使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國),均為免執照頻段。
　　與之相反,藍牙技術(shù)基本上只是設計作為有線(xiàn)的替代品,經(jīng)常是為手機和附近的耳機或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周,但無(wú)法工作幾個(gè)月,更不用說(shuō)幾年了;
　　一般情況下,藍牙設備需要人手配置和維護網(wǎng)絡(luò )連接;它可以用來(lái)有效地處理8個(gè)設備(一個(gè)主設備和7個(gè)從設備),如果更多的話(huà),通訊速率則顯著(zhù)下降。
　　而802.11, 也被稱(chēng)作Wi-Fi也有類(lèi)似的問(wèn)題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的很好的解決方案,但它的功耗卻非常高。
2.2 可能應用及市場(chǎng)發(fā)展
　　ZigBee的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò ),同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個(gè)月到數年的時(shí)間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期,將以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應式網(wǎng)路為主,提供感應辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將目前市場(chǎng)拓展至家庭中的應用。通常符合以下條件之一的應用,就可以考慮采用ZigBee技術(shù):
　　(1) 設備成本很低,傳輸的數據量很小;
　　(2) 設備體積很小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊;
　　(3) 沒(méi)有充足的電力支持,只能使用一次性電池;
　　(4) 頻繁地更換電池或者反復地充電無(wú)法做到或者很困難;
　　(5) 需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò )中的設備非常多,但僅僅用于監測或控制。
　　根據ZigBee Alliance的觀(guān)點(diǎn),一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置:
　　(1) 空調系統的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動(dòng)控制;
　　(2) 老年人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器;
　　(3) 電視與音響的萬(wàn)用遙控器, 無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、滑鼠、搖桿,玩具;
　　(4) 煙霧偵測器;
　　(5) 智慧型標簽。
　　本文闡述了ZigBee技術(shù)及IEEE802.15.4標準及其相關(guān)應用,討論了它們的關(guān)系和相對其它技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),并對其在家庭無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)中的應用前景進(jìn)行了分析和展望。ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應用,而不是技術(shù)本身。隨著(zhù)正式版本協(xié)議的公布,更多的注意力和研發(fā)力量將轉到應用的設計和實(shí)現、互聯(lián)互通測試和市場(chǎng)推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來(lái),將有越來(lái)越多的內置式ZigBee功能的設備進(jìn)入我們的生活,并將極大地改善我們的生活方式和體驗。
參考文獻
1 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunica-tions and information exchange
between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-
Part15.4:Wireless Medium Acess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for
Low0Rate Wieless Personal Area Net-works(LR-WPANS)
2 韓旭東, 張春業(yè), 李 鵬. 傳感器無(wú)線(xiàn)互聯(lián)標準及實(shí)現.電子技術(shù)應用,2004;11
3 中國ZigBee聯(lián)盟. ZigBee技術(shù)探析