與蜂共舞—ZigBee技術(shù)一瞥

　　摘要： 本文從ZigBee的發(fā)展歷史入手，探討了這種基于無(wú)線(xiàn)傳感器技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )應用的協(xié)議棧、性能分析和各種應用領(lǐng)域，全面構建了完整的ZigBee技術(shù)應用與發(fā)展藍圖。

　　關(guān)鍵詞： 短距離無(wú)線(xiàn)通信;ZigBee;IEEE 802.15.4

　　概述

　　“ZigBee”是什么?從字面上猜像是一種蜜蜂。因為“ZigBee”這個(gè)詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著(zhù)“之”字形舞的蜜蜂。不過(guò)，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實(shí)上，它與藍牙類(lèi)似是一種新興的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，國內也有人翻譯成“紫蜂”。下面就讓我們一起進(jìn)入這只蜜蜂的世界，與蜂共舞吧!

　　這只蜜蜂的來(lái)頭還是要從它的歷史開(kāi)始說(shuō)起，早在上世紀末，就已經(jīng)有人在考慮發(fā)展一種新的通信技術(shù)，用于傳感控制應用(sensor and control)，這個(gè)想法后來(lái)在IEEE 802.15工作組當中提出來(lái)，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的規范只專(zhuān)注于底層，要達到產(chǎn)品的互操作和兼容，還需要定義高層的規范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”這個(gè)名詞。兩年之后，ZigBee的第一個(gè)規范ZigBee V1.0誕生，但這個(gè)規范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實(shí)用。此后ZigBee Alliance又經(jīng)過(guò)兩年的努力，推出了新的規范ZigBee 2006，這是一個(gè)比較完善的規范。據聯(lián)盟最新的消息，今年年底將會(huì )發(fā)布更新版本的規范ZigBee 2007，這個(gè)版本增加了一些新的特性。

　　從ZigBee的發(fā)展歷史可以看到，它和IEEE 802.15.4有著(zhù)密切的關(guān)系，事實(shí)上ZigBee的底層技術(shù)就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一種說(shuō)法認為ZigBee和IEEE 802.15.4是同一個(gè)東西，或者說(shuō)“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其實(shí)這是一種誤解。實(shí)際上ZigBee和IEEE 802.15.4的關(guān)系，有點(diǎn)類(lèi)似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1?！癦igBee”可以看作是一個(gè)商標，也可以看作是一種技術(shù)，當把它看作一種技術(shù)的時(shí)候，它表示一種高層的技術(shù)，而物理層和MAC層直接引用IEEE 802.15.4。事物是不斷的發(fā)展變化的，尤其是通信技術(shù)，可以想象將來(lái)的ZigBee可能不會(huì )使用IEEE 802.15.4定義的底層，就跟藍牙(Bluetooth)宣布下一代底層采用UWB技術(shù)一樣，但是“ZigBee”這個(gè)商標以及高層的技術(shù)還會(huì )繼續保留。

　　ZigBee協(xié)議棧速讀

　　我們無(wú)法預料將來(lái)ZigBee會(huì )基于怎樣的底層技術(shù)，只好從它現在的底層——IEEE 802.15.4開(kāi)始了解，IEEE 802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個(gè)頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz, 2MHz和5MHz，分別有1個(gè)，10個(gè)和16個(gè)信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區別，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調制方面都使用了調相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發(fā)射機基帶部分的框圖(如圖1)，可以看到物理層部分非常簡(jiǎn)單，而IEEE 802.15.4芯片的低價(jià)格正是得益于底層的簡(jiǎn)單性?？赡芪覀儠?huì )擔心它的性能，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的情況下，IEEE 802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果，同時(shí)在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內通常能達到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達到100m作用距離;同時(shí)調相技術(shù)的誤碼性能要優(yōu)于調頻和調幅技術(shù)。因此綜合起來(lái)，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數據速率并不高，對于2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

圖1 IEEE 802。15.4 物理層2.4GHz頻段發(fā)射機基帶框圖

圖2 幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)性能比較

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　　物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術(shù)，包括時(shí)分復用GTS技術(shù)和隨機接入信道技術(shù)CSMA/CA。不過(guò)ZigBee實(shí)際上并沒(méi)有對時(shí)分復用GTS技術(shù)進(jìn)行相關(guān)的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專(zhuān)注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò )所有節點(diǎn)都工作在同一個(gè)信道上，因此如果鄰近的節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據就有可能發(fā)生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術(shù)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是節點(diǎn)在發(fā)送數據之前先監聽(tīng)信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數據，否則就要進(jìn)行隨機的退避，即延遲一段隨機時(shí)間，然后再進(jìn)行監聽(tīng)，這個(gè)退避的時(shí)間是指數增長(cháng)的，但有一個(gè)最大值，即如果上一次退避之后再次監聽(tīng)信道忙，則退避時(shí)間要增倍，這樣做的原因是如果多次監聽(tīng)信道都忙，有可能表明信道上的數據量大，因此讓節點(diǎn)等待更多的時(shí)間，避免繁忙的監聽(tīng)。通過(guò)這種信道接入技術(shù)，所有節點(diǎn)競爭共享同一個(gè)信道。在MAC層當中還規定了兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，另一種是非信標模式。信標模式當中規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開(kāi)始發(fā)送信標幀，里面含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò )的信息，緊接著(zhù)是競爭接入時(shí)期，在這段時(shí)間內各節點(diǎn)以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時(shí)期，節點(diǎn)采用時(shí)分復用的方式接入信道，然后是非活躍時(shí)期，節點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期的開(kāi)始又發(fā)送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節點(diǎn)均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的所有節點(diǎn)都能進(jìn)行同步，但這種同步網(wǎng)絡(luò )的規模不會(huì )很大。實(shí)際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。

　　MAC層往上就屬于ZigBee真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協(xié)議棧(圖3)。底層技術(shù)，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網(wǎng)絡(luò )層、應用支持子層(APS)、應用框架(AF)、ZigBee設備對象(ZDO)和安全組件(SSP)，均由ZigBee Alliance所制定。

圖3  ZigBee協(xié)議棧

　　這些部分當中最下面的是網(wǎng)絡(luò )層。和其他技術(shù)一樣，ZigBee網(wǎng)絡(luò )層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò )層主要支持兩種路由算法—樹(shù)路由和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。樹(shù)路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協(xié)議棧規范。它把整個(gè)網(wǎng)絡(luò )看作是以協(xié)調器為根的一棵樹(shù)，因為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )是由協(xié)調器所建立的，而協(xié)調器的子節點(diǎn)可以是路由器或者是末端節點(diǎn)，路由器的子節點(diǎn)也可以是路由器或者末端節點(diǎn)，而末端節點(diǎn)沒(méi)有子節點(diǎn)，相當于樹(shù)的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協(xié)調器相當于蜂后，是唯一的，而路由器相當于雄蜂，數目不多，末端節點(diǎn)則相當于數量最多的工蜂。其實(shí)有很多地方仔細一想，就可以發(fā)現ZigBee和蜂群的許多暗合之處。樹(shù)路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個(gè)參數—深度、最大深度、最大子節點(diǎn)數和最大子路由器數來(lái)計算新節點(diǎn)的地址，于是尋址的時(shí)候根據地址就能計算出路徑，而路由只有兩個(gè)方向—向子節點(diǎn)發(fā)送或者向父節點(diǎn)發(fā)送。樹(shù)狀路由不需要路由表，節省存儲資源，但缺點(diǎn)是很不靈活，浪費了大量的地址空間，并且路由效率低，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee當中還有一種路由方法是網(wǎng)狀網(wǎng)路由，這種方法實(shí)際上是AODV路由算法的一個(gè)簡(jiǎn)化版本，非常適合于低成本的無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )的路由。它可以用于較大規模的網(wǎng)絡(luò )，需要節點(diǎn)維護一個(gè)路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee當中還可以進(jìn)行鄰居表路由，其實(shí)鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過(guò)只需要一跳就可以發(fā)送到目的節點(diǎn)。

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　　網(wǎng)絡(luò )層的上面是應用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規定了一些和應用相關(guān)的功能，包括端點(diǎn)(endpoint)的規定，還有綁定(binding)、服務(wù)發(fā)現和設備發(fā)現等等。其中端點(diǎn)是應用對象存在的地方，ZigBee允許多個(gè)應用同時(shí)位于一個(gè)節點(diǎn)上，例如一個(gè)節點(diǎn)具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發(fā)文本消息的功能，這種設計有利于復雜ZigBee設備的出現。而綁定是用于把兩個(gè)“互補的”應用聯(lián)系在一起，如開(kāi)關(guān)應用和燈的應用。更通俗的理解，“綁定”可以說(shuō)是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開(kāi)關(guān)需要控制“燈”，但它一開(kāi)始并不知道“燈”這個(gè)應用所在的設備地址，也不知道其端點(diǎn)號，于是它可以廣播一個(gè)消息，當“燈”接收到之后給出響應，于是開(kāi)關(guān)就可以記錄下“燈”的通信信息，以后就可以根據記錄的通信信息去直接發(fā)送控制信息了。服務(wù)發(fā)現和設備發(fā)現是應用層需要提供的，ZigBee定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務(wù)可以進(jìn)行描述，于是可以通過(guò)這些描述符來(lái)尋找合適的服務(wù)或者設備。

　　ZigBee還提供了安全組件，采用了AES128的算法對網(wǎng)絡(luò )層和應用層的數據進(jìn)行加密保護，另外還規定了信任中心(trust center)的角色—全網(wǎng)有一個(gè)信任中心，用于管理密鑰和管理設備，可以執行設置的安全策略。

　　ZigBee性能分析

　　上面對ZigBee協(xié)議棧作了一些介紹，要知道ZigBee能勝任什么工作，還需要作進(jìn)一步的分析，主要有幾個(gè)方面：數據速率、可靠性、時(shí)延、能耗特性、組網(wǎng)和路由。

　　ZigBee的數據速率比較低，在2.4GHz的頻段也只有250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開(kāi)銷(xiāo)、信道競爭、應答和重傳，真正能被應用所利用的速率可能不足100kb/s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個(gè)節點(diǎn)和同一個(gè)節點(diǎn)的多個(gè)應用所瓜分。所以我們不能奢望ZigBee去做一些如傳輸視頻之類(lèi)的高難度的事情，起碼目前是這樣，而應該聚焦于一些低速率的應用，比如人們早就給它找好的一個(gè)應用領(lǐng)域—傳感和控制。

　　至于可靠性，ZigBee有很多方面進(jìn)行保證，首先是物理層采用了擴頻技術(shù)，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC層和應用層(APS部分)有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節點(diǎn)發(fā)送之前先監聽(tīng)信道，也可以起到避開(kāi)干擾的作用，網(wǎng)絡(luò )層采用了網(wǎng)狀網(wǎng)的組網(wǎng)方式(圖4)，從源節點(diǎn)到達目的節點(diǎn)可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網(wǎng)絡(luò )的健壯性，如果原先的路徑出現了問(wèn)題，比如受到干擾，或者其中一個(gè)中間節點(diǎn)出現故障，ZigBee可以進(jìn)行路由修復，另選一條合適的路徑來(lái)保持通信(圖5、圖6)。據了解，在最新的ZigBee 2007協(xié)議棧規范當中，將會(huì )引入一個(gè)新的特性——頻率捷變(frequency agility)，這也是ZigBee加強其可靠性的一個(gè)重要特性。這個(gè)特性大致的意思是當ZigBee網(wǎng)絡(luò )受到外界干擾，比如Wi-Fi的干擾，無(wú)法正常工作時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )可以動(dòng)態(tài)的切換到另一個(gè)工作信道上。

圖4  ZigBee可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)組網(wǎng)方式

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圖5  ZigBee網(wǎng)絡(luò )受到外部干擾

圖6  通過(guò)更換路徑避開(kāi)干擾

　　時(shí)延也是一個(gè)重要的考察因素。由于ZigBee采用隨機接入MAC層，并且不支持時(shí)分復用的信道接入方式，因此對于一些實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)并不能很好支持。而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時(shí)延變成一個(gè)不易確定的因素。

　　能耗特性是ZigBee的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢。通常情況下，ZigBee節點(diǎn)所承載的應用數據速率都比較低，在不需要通信的時(shí)候，節點(diǎn)可以進(jìn)入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時(shí)能耗可能只有正常工作狀態(tài)的千分之一。由于一般情況下休眠的時(shí)間占總運行時(shí)間的大部分，有時(shí)可能正常工作的時(shí)間還不到1%，因此達到很高的節能效果。在這種情況下，ZigBee的網(wǎng)絡(luò )有可能依靠普通的電池連續運轉一兩年。當然，ZigBee節點(diǎn)能夠方便的在休眠狀態(tài)和正常運行狀態(tài)之間靈活的切換，和它底層的特性是分不開(kāi)的。ZigBee從休眠狀態(tài)轉換到活躍狀態(tài)一般只需要十幾毫秒，而且由于使用直接擴頻而不是跳頻技術(shù)，重新接入信道的時(shí)間也很快。

　　最后是組網(wǎng)和路由特性，它們屬于網(wǎng)絡(luò )層的特性，ZigBee在這方面做得相當出色。首先是大規模的組網(wǎng)能力——ZigBee可以支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò )多達六萬(wàn)多個(gè)節點(diǎn)，相比之下，Bluetooth只支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò )8個(gè)節點(diǎn)。這是因為ZigBee的底層采用了直擴技術(shù)，如果采用非信標模式，網(wǎng)絡(luò )可以擴展得很大，因為不需要同步。而且節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )和重新加入網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程也很快，一般可以做到一秒以?xún)壬踔粮?，而B(niǎo)luetooth通常需要3s時(shí)間。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由，因此可以布設范圍很廣的網(wǎng)絡(luò )，并且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應用帶來(lái)有力的支撐。

　　ZigBee應用淺談

　　上面介紹了ZigBee的一些技術(shù)優(yōu)勢，也談到了不足之處，目前有些說(shuō)法把它跟其它他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等進(jìn)行類(lèi)比，說(shuō)某種技術(shù)不如另一種，甚至說(shuō)某種技術(shù)要取代另一種，這樣的說(shuō)法是片面的。作為一種低速率的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee有其自身的特點(diǎn)，因此應該有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術(shù)重疊。下面就來(lái)簡(jiǎn)單看看ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫療監護、傳感器網(wǎng)絡(luò )應用和電信應用。

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　　智能家庭：家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點(diǎn)對點(diǎn)的控制，但如果使用了ZigBee技術(shù)，可以把這些電子電器設備都聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，甚至可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet，這樣用戶(hù)就可以方便的在任何地方監控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線(xiàn)的煩惱。

　　工業(yè)控制：工廠(chǎng)環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監控，加強作業(yè)管理，降低成本。

　　自動(dòng)抄表：抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個(gè)月或每個(gè)季度可能都要統計一下讀數，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據讀數來(lái)收費?，F在在大多數地方還是使用人工的方式來(lái)進(jìn)行抄表，逐家逐戶(hù)的敲門(mén)，很不方便。而ZigBee可以用于這個(gè)領(lǐng)域，利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )把讀數直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進(jìn)行抄表還可以帶來(lái)其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶(hù)，或者和節能相結合，當發(fā)現能源使用過(guò)快的時(shí)候可以自動(dòng)降低使用速度。

　　醫療監護：電子醫療監護是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監測健康狀況，還有在人體周?chē)h(huán)境放置一些監視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時(shí)對人的身體狀況進(jìn)行監測，一旦發(fā)生問(wèn)題，可以及時(shí)做出反應，比如通知醫院的值班人員。這些傳感器、監視器和報警器，可以通過(guò)ZigBee技術(shù)組成一個(gè)監測的網(wǎng)絡(luò )，由于是無(wú)線(xiàn)技術(shù)，傳感器之間不需要有線(xiàn)連接，被監護的人也可以比較自由的行動(dòng)，非常方便。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )應用：傳感器網(wǎng)絡(luò )也是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)，像貨物跟蹤、建筑物監測、環(huán)境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò )要求節點(diǎn)低成本、低功耗，并且能夠自動(dòng)組網(wǎng)、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。

　　電信應用：在2006年初的時(shí)候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術(shù)的SIM卡，并命名為“ZSIM”[5]。其實(shí)這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯(lián)盟也在2007年4月發(fā)布新聞，說(shuō)聯(lián)盟的成員在開(kāi)發(fā)電信相關(guān)的應用[6]。如果ZigBee技術(shù)真得可以在電信領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)，那么將來(lái)用戶(hù)就可以利用手機來(lái)進(jìn)行移動(dòng)支付，并且在熱點(diǎn)地區可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶(hù)也可以通過(guò)定位服務(wù)獲知自己的位置。雖然現在的GPS定位服務(wù)已經(jīng)做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。

　　結語(yǔ)

　　ZigBee為我們描繪了一個(gè)美好的未來(lái)，或許這些場(chǎng)景里我們不會(huì )太遙遠了，讓我們拭目以待，這只蜜蜂將會(huì )給我們的工作和生活帶來(lái)怎樣的變化。

　　參考文獻：

　　1 Bob Heile, “Wireless Sensors and Control Networks: Enabling New Opportunities”

　　2 Ian Marsden, “Network Layer Overview”

　　3 ZigBee Alliance, “ZigBee Specification”

　　4 ZigBee Alliance, “ZigBee Unveils Comprehensive New Features”

　　5 Maura, Turolla, Elisa Alessio, “ZigBee Value for a Telecom Operator”

　　6 ZigBee Alliance, “ZigBee Alliance Members Connect With Telecom Market”