ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

1．ZigBee技術(shù)概述

　　ZigBee技術(shù)是一種具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其物理層和數據鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò )層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應用層的開(kāi)發(fā)應用根據用戶(hù)的應用需要，對其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶(hù)提供機動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。

　　根據IEEE 802.15.4協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這3個(gè)工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數據不同，因而，在該項技術(shù)標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個(gè)信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫學(xué)（indus- trial，scientific and medical，ISM）頻段，該頻段為免付費、免申請的無(wú)線(xiàn)電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為 250Kb／s；另外兩個(gè)頻段為915／868MHz，其相應的信道個(gè)數分別為10個(gè)和1個(gè)，傳輸速率分別為40Kb／s和ZOKb／s，868MHz和 915MHz無(wú)線(xiàn)電使用直接序列擴頻技術(shù)和二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）調制技術(shù)。2.4GHz無(wú)線(xiàn)電使用DSSS和偏移正交相移鍵控（O－QPSK）。

　　在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構造為星形網(wǎng)絡(luò )或者點(diǎn)對點(diǎn)對等網(wǎng)絡(luò )，在每一個(gè)ZigBee組成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，連接地址碼分為16b短地址或者64b長(cháng)地址，可容納的最大設各個(gè)數分別為216和264個(gè)，具有較大的網(wǎng)絡(luò )容量。

　　在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了無(wú)線(xiàn)電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。

　　ZigBee設備為低功耗設各，其發(fā)射輸出為 0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據這些檢測結果，設各可以自動(dòng)調整設各的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設各能量。

　　為保證ZigBee設備之間通信數據的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了密鑰長(cháng)度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進(jìn)行加密處理。

　　2． ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

　　 ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設各使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

　?。?）數據傳輸速率低

　　只有10～250Kb／s，專(zhuān)注于低傳輸速率應用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )不傳輸語(yǔ)音、視頻之類(lèi)的大數據量的采集數據，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類(lèi)的簡(jiǎn)單數據。

　?。?）功耗低

　　工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jì)H僅只有1μW。設各搜索時(shí)延一般為 30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設備信道接人時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設各非常省電，ZigBee節點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(cháng)達6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如電池種類(lèi)、容量和應用場(chǎng)合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間＋休眠時(shí)間）之比小于t％的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)1年。

　?。?）數據傳輸可靠

　　ZigBee的介質(zhì)鏈路層（以MAC層）采用CSMA－CA碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數據包都必須等待接收方的確認信息，并進(jìn)行確認信息回復，若沒(méi)有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性。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，避免了發(fā)送數據時(shí)的竟爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對時(shí)延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

　?。?）網(wǎng)絡(luò )容量大

　　ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸的特點(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器（coordinator）是一種全功能器件，而網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通常為簡(jiǎn)化功能器件。如果通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )最多可以支持超過(guò)65 000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數目將十分可觀(guān)。

　?。?）自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是動(dòng)態(tài)變化的，無(wú)論是節點(diǎn)的能量耗盡，或者節點(diǎn)被敵人俘獲，都能使節點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò )，而且網(wǎng)絡(luò )的使用者也希望能在需要的時(shí)候向已有的網(wǎng)絡(luò )中加人新的傳感器節點(diǎn)。

　?。?）兼容性

　　ZigBee技術(shù)與現有的控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

　?。?）安全性

　　ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實(shí)際是無(wú)安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來(lái)轉移數據。對于第二級安全級別，器件可以使用接人控制清單（ACL）來(lái)防止非法器仵獲取數據。

　　在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱(chēng)密碼。AES可以用來(lái)保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。

　?。?）實(shí)現成本低

　　模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee協(xié)議免專(zhuān)利費用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中可以具有成千上萬(wàn)的節點(diǎn)，如果不能?chē)栏竦乜刂乒濣c(diǎn)的成本，那么網(wǎng)絡(luò )的規模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的強大功能。

　　3．ZigBee協(xié)議棧結構

　　ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結構很簡(jiǎn)單，不像諸如藍牙和其他網(wǎng)絡(luò )結構，這些網(wǎng)絡(luò )結構通常分為7層，而ZigBee技術(shù)僅分為4層，如圖所示。

圖 ZigBee協(xié)議棧

　在ZigBee技術(shù)中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標準，其中，PHY層提供了兩種類(lèi)型的服務(wù)：即通過(guò)物理層管理實(shí)體接口對PHY層數據和PHY層管理提供服務(wù)。PHY層數據服務(wù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數據單元來(lái)實(shí)現。

　　PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，能量監測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評估，以及通過(guò)物理介質(zhì)對數據包進(jìn)行發(fā)送和接收。同樣，MAC層也提供了兩種類(lèi)型的服務(wù)：通過(guò)MAC層管理實(shí)體服務(wù)接人點(diǎn)向MAC層數據和MAC層管理提供服務(wù)。MAC層數據服務(wù)可以通過(guò)PHY層數據服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數據單元

　　MAC層的具體特征是：信標管理，信道接入，時(shí)隙管理，發(fā)送確認幀，發(fā)送連接及斷開(kāi)連接請求。除此以外，MAC層為應用合適的安全機制提供一些方法。

　　ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )／安全層主要用于ZigBee的WPAN的組網(wǎng)連接、數據管理以及網(wǎng)絡(luò )安全等；應用層主要為ZigBee技術(shù)的實(shí)際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)應用。

　　根據ZigBee Alliance的觀(guān)點(diǎn)，一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置：

　?、倏照{系統的溫度控制器，燈光、窗簾的自動(dòng)控制。

　?、诶夏耆伺c行動(dòng)不便者的緊急呼叫器。

　?、垭娨暸c音響的萬(wàn)用遙控器，無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、滑鼠、搖桿，玩具。

　?、軣熿F偵測器。

　?、葜腔坌蜆撕?。