ZigBee規范與系統設計需求剖析

無(wú)線(xiàn)技術(shù)在人們的生活中愈來(lái)愈重要，目前市場(chǎng)上的焦點(diǎn)技術(shù)包括Wi-Fi、3G/HSDPA、WiMAX、UWB、藍牙等等，這些技術(shù)都與人們直接存取數據的應用有關(guān)，例如上網(wǎng)、下載影音文件或撥打電話(huà)。不過(guò)，有另一類(lèi)無(wú)線(xiàn)應用也正在快速的發(fā)展中，此類(lèi)應用與人們的使用雖不一定直接相關(guān)，但對生活的便利性也有相當大的幫助。

這就是所謂的無(wú)線(xiàn)傳感或控制網(wǎng)絡(luò )，其應用領(lǐng)域非常廣，只要是具有控制或傳感功能的電子設備，在加入無(wú)線(xiàn)通訊功能后，再結合適當的網(wǎng)絡(luò )拓樸機制，就能組成具有自動(dòng)控制、傳感及監控等功能的電子設備網(wǎng)絡(luò )系統，例如可用于家庭看護監控、入侵監控、家電自動(dòng)化、工廠(chǎng)作業(yè)監控、資產(chǎn)出貨管理及環(huán)境監測等等。

這種網(wǎng)絡(luò )系統有一些特性，與我們常用的網(wǎng)絡(luò )很不相同，這些特性大致整理如下：
*它們只需傳輸有限的數據，因此不會(huì )要求高速的帶寬；
*無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的傳輸距離不需太遠，但要能與鄰近節點(diǎn)形成可靠的網(wǎng)絡(luò )；
*這類(lèi)裝置通常使用電池做為電源，而且需要有長(cháng)時(shí)間的使用壽命，因此必須是非常省電的設計；
*這類(lèi)裝置的尺寸通常很小，因此內部的元件集成度要高；
*它們的使用環(huán)境可能極為嚴苛，所以耐用性要求甚高；
*網(wǎng)絡(luò )布建的規?？赡芎艽?，因此建置及設備成本不能太高；
*在建置上需考慮節點(diǎn)及通訊網(wǎng)路在故障狀況下的容錯性。

能滿(mǎn)足這些條件的無(wú)線(xiàn)技術(shù)并不多，ZigBee正是專(zhuān)為此類(lèi)應用而規劃的技術(shù)，以下將介紹ZigBee的重要技術(shù)規格及系統架構。

ZigBee底層技術(shù)：IEEE 802.15.4

ZigBee是由ZigBee Alliance所制定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，此聯(lián)盟是由50多家公司聯(lián)合起草的，目前加入的公司已有大約200家，他們來(lái)自半導體業(yè)、軟件開(kāi)發(fā)商、終端產(chǎn)品制造商和服務(wù)供貨商，其中一些來(lái)自電信業(yè)。會(huì )員中雖然有很多國際知名的廠(chǎng)商，但目前并沒(méi)有真正能主導市場(chǎng)或技術(shù)發(fā)展的廠(chǎng)商。ZigBee的第一個(gè)公開(kāi)版本(ZigBee V1.0)于2005年6月底公布，在2006年12月又制定了V1.1的新版本，此版本又稱(chēng)為ZigBee 2006；從發(fā)布至今，市場(chǎng)上有超過(guò)30個(gè)兼容的平臺。下一版V1.2正在如火如荼的制定中，預定在今年年中會(huì )公布，此版本又稱(chēng)為ZigBee Pro或ZigBee 2007。

圖1  ZigBee節點(diǎn)結構模型

ZigBee規范是專(zhuān)為大型網(wǎng)絡(luò )而設計的，它最多能支持65536個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。它的底層采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體存取層(MAC)及物理層(PHY)，能夠滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)控制及傳感應用所需要的低傳輸率、低功耗、支持大量網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)等條件。在無(wú)線(xiàn)射頻部分，IEEE 802.15.4支持2.4GHz(2450MHz)和868/915MHz兩個(gè)頻段，其中2.4GHz頻段中可提供250kbit/s的物理層數據傳輸率，以及16個(gè)不同的信道；868/915MHz頻段中，868MHz支持1個(gè)數據速率為20kbit/s的信道，915MHz支持10個(gè)數據速率為40kbit/s的信道。針對2.4GHz頻段，802.15.4采用Offset QPSK調變技術(shù)，并在868/915MHz的頻段采用BIT/SK，此做法能讓功耗降到最低，也能減少設計復雜度。此外，它也導入直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)，DSSS采用全頻帶傳送數據，使得原來(lái)較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲。ZigBee工作在IEE802.15.4規范的ISM頻段，在歐洲是868MHz，在美國是915MHz，在其他國家主要是使用2.4 GHz頻段。至于MAC層方面，802.15.4規范了相鄰設備間單跳數據通訊的規則，它負責設立與網(wǎng)絡(luò )的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提供兩個(gè)設備之間的可靠鏈接。

ZigBee協(xié)定

再來(lái)看看ZigBee協(xié)定。它的協(xié)議層從下到上分別為物理層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡(luò )層(NWK)和應用層(APL)等。網(wǎng)絡(luò )裝置的角色可分為ZigBee 協(xié)調器(Coordinator)、ZigBee Router、ZigBee EndDevice等三種。它支持星狀(Star)、網(wǎng)狀(Mesh)和網(wǎng)狀-樹(shù)狀(Mesh-tree)三種網(wǎng)絡(luò )拓樸。其中星狀網(wǎng)絡(luò )最單純，所有的信息都會(huì )路由到協(xié)調器，由協(xié)調器來(lái)發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò )、設定各項網(wǎng)絡(luò )參數，并分派網(wǎng)絡(luò )地址，這和網(wǎng)絡(luò )集線(xiàn)器(hub)的架構很相似。

圖2  ZigBee協(xié)議層結構

1. 拓樸架構

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector routing)技術(shù)的修改版本，它使信息在節點(diǎn)之間傳遞，即便任何節點(diǎn)失效或掉線(xiàn)，數據仍能到達目的地，因此具有最佳的可靠性。協(xié)調器只需啟動(dòng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò )，建立后，就不用擔心因某一點(diǎn)故障而造成網(wǎng)絡(luò )不通。當有更多的收發(fā)器或節點(diǎn)加入，就會(huì )形成更密集的網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)而提升其可靠度。

圖3  各種網(wǎng)絡(luò )拓撲

Mesh-tree網(wǎng)絡(luò )則采用C-Skip算法，也就是依協(xié)調器、路由器和終端器的角色來(lái)決定節點(diǎn)的布局。每個(gè)路由器都知道自己的下屬節點(diǎn)，當它收到訊號時(shí)，會(huì )使用一套公式來(lái)決定如何傳送這個(gè)信息。純粹的樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )本身并不可靠，因為連結隨時(shí)可能會(huì )中斷，加入Mesh的功能就能自我修復中斷的連結。

2. 應用層規范

與產(chǎn)品使用緊密相關(guān)的，則是應用層的設計。ZigBee應用層包含應用程序支持子層(APS)、應用程序架構(AF)、ZigBee裝置管控對象(ZDO)與各廠(chǎng)商定義的應用程序對象。此外，ZigBee還定義了應用規格(Application Profile)，它針對各種不同的應用情境定義出概略的行為藍圖，讓特定應用中采用此規格的裝置之間能夠互相操作，例如只要家庭控制照明(Home Control Lighting, HCL)的應用規格，不同廠(chǎng)商的燈光開(kāi)關(guān)也能用來(lái)控制各種的照明燈具。

為了保證產(chǎn)品之間的互操作性，目前有7個(gè)次團體正在制定ZigBee的公用規格(Public Profile)，一些有趣的應用領(lǐng)域及ZigBee解決方案包括：貨物運送的資產(chǎn)管理、家庭看護監控、商用照明控制、旅館空調系統(HVAC)能源管理、先進(jìn)電表平臺等。所有采用ZigBee公用規格的認證合格產(chǎn)品，都可以在此產(chǎn)品上使用ZigBee語(yǔ)言和標志。設備制造商也可以在公用規格之上加入額外的功能，以讓他們的產(chǎn)品顯得獨特和具有加值性。此外，廠(chǎng)商也可以自己設計專(zhuān)屬的規格，也就是在ZigBee兼容平臺之上開(kāi)發(fā)專(zhuān)屬性的產(chǎn)品。目前ZigBee聯(lián)盟提供三大測試項目，分別是ZigBee兼容性平臺、ZigBee認證(ZigBee Certified)和ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持(ZigBee Network Capable)。

ZigBee系統需求

ZigBee節點(diǎn)往往僅需要一對AA電池就能工作大約一年甚至許多年，因此它的功耗必須很低，其軟、硬件技術(shù)架構自然不能太過(guò)復雜。以網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧來(lái)說(shuō)，相較于802.11動(dòng)輒需要1MB以上的程序內存，ZigBee對程序代碼的空間需求很低，通常只需32KB至70KB，因此非常適用于無(wú)線(xiàn)控制及傳感節點(diǎn)的單純設計架構。

圖4  ZigBee系統示意

除了無(wú)線(xiàn)的部分，在硬件架構上，目前業(yè)界與學(xué)界已發(fā)展出多套適合的硬件系統，包括：BTnode rev2/rev3、Imote/Imote2、Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZ、WiseNet等；常被采用的處理器則包括：ARM7、Atmel AVR、Xscale、Intel 8051、PIC、TI MSP430等。這類(lèi)系統皆具有低成本、低功耗和微小化的特性。在軟件方面，ZigBee協(xié)議必須執行在適當的嵌入式操作系統或實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)之上。此類(lèi)操作系統不需要如PC操作系統一般支持復雜的應用程序及使用者接口；由于在內存映像硬件支持上的限制，此類(lèi)操作系統也不需或無(wú)法建置虛擬內存(virtual memory)的機制。

此外，由于無(wú)線(xiàn)控制及傳感網(wǎng)絡(luò )中最耗電的動(dòng)作是數據的傳送，因此這類(lèi)軟件需采用特殊的算法，通常是使用多點(diǎn)跳躍(multi-hop)的傳送方式，也就是從一個(gè)節點(diǎn)傳到另一個(gè)節點(diǎn)，一直往基地臺的目的地傳送，進(jìn)而能將單次的傳輸功耗降到最低。

另一個(gè)重要的設計機制是為節點(diǎn)加入休眠功能，也就是當設備不需傳感、控制或傳送數據時(shí)，就讓此節點(diǎn)進(jìn)入休眠的模式。但開(kāi)關(guān)收發(fā)器(亦即進(jìn)入睡眠狀態(tài)或結束睡眠狀態(tài))也會(huì )造成不小的功率損耗，因此如何安排節點(diǎn)的休眠時(shí)間表(scheduling)也成為一項重要的研究課題。

結語(yǔ)

以電子設備為中心的網(wǎng)絡(luò )規模其實(shí)是遠遠大于以人為中心的信息及娛樂(lè )性網(wǎng)絡(luò )。在家庭、辦公室、工業(yè)環(huán)境、醫療院所等等地方已使用了太多的電子設備，而另一種以傳感用途為主的設備也開(kāi)始廣為布建，當這些節點(diǎn)具備了網(wǎng)絡(luò )連結與控制的能力，將對人類(lèi)的生活產(chǎn)生極為巨大的影響。

從溫度、濕度、照明、運動(dòng)到影像，各種想得到的傳感組件都已出現商業(yè)化的產(chǎn)品。利用這些傳感器建立起的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )，具有監控、追蹤和控制等基本功能，用得到的場(chǎng)合難以盡數，例如住宅監控、對象追蹤、核反應堆控制、火警偵測、交通流量監控等等。ZigBee為這些應用提供了極為理想的無(wú)線(xiàn)傳輸基礎，然而應用上的落實(shí)還在起步階段。除了ZigBee之外，還有多項競爭性的技術(shù)在發(fā)展中，例如強調比ZigBee更精簡(jiǎn)的Z-wave，藍牙的精簡(jiǎn)版Bluetooth Lite及互補的Wibree，其中Wibree由Nokia主導，強調能提供十倍于藍牙的效率，其輸出功率將只有-6dBm。這些技術(shù)的競爭對于市場(chǎng)發(fā)展有良性的幫助，而且此應用領(lǐng)域太廣了，不同的技術(shù)可能適合于特定的應用領(lǐng)域。