ZigBee技術(shù)及其應用

1、簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離范圍內，低傳輸數據速率下的各種電子設備之間的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)通知發(fā)現的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的名稱(chēng)。ZigBee過(guò)去又稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，目前統一稱(chēng)為ZigBee技術(shù)。

2、ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

自從馬可尼發(fā)明無(wú)線(xiàn)電以來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一直向著(zhù)不斷提高數據速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )（3G）目的在于提供多媒體無(wú)線(xiàn)服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數據速率。而當前得到廣泛研究的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)設備使用的極低復雜度、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)：

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。設備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設備信道接入時(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節點(diǎn)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1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。

數據傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。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)的競爭和沖突。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）。對全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數。而對簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話(huà)，可以按3種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器、協(xié)調器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話(huà)，僅用于非常簡(jiǎn)單的應用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò )最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，其中一個(gè)是主控（Master）設備，其余則是從屬（Slave）設備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器（Network Coordinator），整個(gè)網(wǎng)絡(luò )最多可以支持超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator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)。
　
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（Coordinator）自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測（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，器件可以使用接入控制清單（ACL）來(lái)防止非法器件獲取數據，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。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標僅為幾美分。

3、ZigBee協(xié)議框架

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)的組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。與其他無(wú)線(xiàn)標準如802.11或802.16不同，Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數據流量。ZigBee V1.0版本的網(wǎng)絡(luò )標準連同燈光控制設備描述已于2004年底推出，其它應用領(lǐng)域及相關(guān)設備的描述也會(huì )在隨后的時(shí)間里陸續發(fā)布。如圖1所示。



圖1　ZigBee協(xié)議框架

在標準規范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準，兩者的角色分工就如同IEEE 802.11小組與Wi-Fi之關(guān)系。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC與PHY（物理層）規范，在2003年5月通過(guò)802.15.4標準，802.15.4任務(wù)小組目前在著(zhù)手制訂802.15.4b標準，此標準主要是加強802.15.4標準，包括：解決標準有爭議的地方、降低復雜度、提高適應性并考慮新頻段的分配等。ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。802.15.4僅僅定義了實(shí)體層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層，并不足以保證不同的設備之間可以對話(huà)，于是便有了ZigBee聯(lián)盟。

ZigBee兼容的產(chǎn)品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其頻段是免費開(kāi)放的，分別為2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16個(gè)信道）、在915MHz提供40kbit/s（10個(gè)信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1個(gè)信道）的傳輸速率。傳輸范圍依賴(lài)于輸出功率和信道環(huán)境，介于10m到100m之間，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是開(kāi)放頻段，已有多種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)使用。因此為避免被干擾，各個(gè)頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。同時(shí)，PHY的直接序列擴頻技術(shù)允許設備無(wú)需閉環(huán)同步。

在這3個(gè)不同頻段，都采用相位調制技術(shù)，2.4GHz采用較高階的QPSK調制技術(shù)以達到250kbit/s的速率，并降低工作時(shí)間，以減少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，則采用BPSK的調制技術(shù)。相比較2.4GHz頻段，900MHz頻段為低頻頻段，無(wú)線(xiàn)傳播的損失較少，傳輸距離較長(cháng)，其次此頻段過(guò)去主要是室內無(wú)繩電話(huà)使用的頻段，現在因室內無(wú)繩電話(huà)轉到2.4GHz，干擾反而比較少。

在MAC層上，主要沿用WLAN中802.11系列標準的CSMA/CA方式，以提高系統兼容性，所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會(huì )先檢查信道是否有數據傳輸，若信道無(wú)數據傳輸，則開(kāi)始進(jìn)行數據傳輸，若產(chǎn)生碰撞，則稍后一段時(shí)間重傳。 

在網(wǎng)絡(luò )層方面，ZigBee聯(lián)盟制訂可以采用星形和網(wǎng)狀拓撲，也允許兩者的組合，稱(chēng)為叢集樹(shù)狀。根據節點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設備（Full-Function Device；FFD）與精簡(jiǎn)功能設備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡(jiǎn)單且存儲體容量較小。FFD的節點(diǎn)具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數據交換，而RFD則只能傳送數據給FFD或從FFD接收數據。

ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡(jiǎn)單，具體實(shí)現的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿(mǎn)足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節的ROM。



圖2　ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構

4、基于ZigBee技術(shù)的應用

隨著(zhù)ZigBee規范的進(jìn)一步完善，許多公司均在著(zhù)手開(kāi)發(fā)基于ZigBee的產(chǎn)品。采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應用領(lǐng)域有家庭自動(dòng)化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境控制與醫療護理、檢測環(huán)境、監測、監察保鮮食品的運輸過(guò)程及保質(zhì)情況等等。其典型應用領(lǐng)域如下：

4.1　數字家庭領(lǐng)域

可以應用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門(mén)禁系統、空調系統和其它家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開(kāi)燈，就不需要走到墻壁開(kāi)關(guān)處，直接通過(guò)遙控便可開(kāi)燈。當你打開(kāi)電視機時(shí)，燈光會(huì )自動(dòng)減弱；當電話(huà)鈴響起時(shí)或你拿起話(huà)機準備打電話(huà)時(shí)，電視機會(huì )自動(dòng)靜音。通過(guò)ZigBee終端設備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設備，或是通過(guò)遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化與智能化。韓國第三大移動(dòng)手持設備制造商Curitel Communications公司已經(jīng)開(kāi)始研制世界上第一款Zigbee手機，該手機將可通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式將家中或是辦公室內的個(gè)人電腦、家用設備和電動(dòng)開(kāi)關(guān)連接起來(lái)。這種手機融入了“Zigbee”技術(shù)，能夠使手機用戶(hù)在短距離內操縱電動(dòng)開(kāi)關(guān)和控制其他電子設備。

4.2　工業(yè)領(lǐng)域

通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統進(jìn)行數據處理與分析，以利工廠(chǎng)整體信息之掌握，例如火警的感測和通知，照明系統之感測，生產(chǎn)機臺之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡(luò )提供相關(guān)信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。韓國的NURI Telecom在基于A(yíng)tmel和Ember的平臺上成功研發(fā)出基于ZigBee技術(shù)的自動(dòng)抄表系統。該系統無(wú)需手動(dòng)讀取電表、天然氣表及水表，從而為公用事業(yè)企業(yè)節省數百萬(wàn)美元，此項技術(shù)正在進(jìn)行前期測試，很快將在美國市場(chǎng)上推出。

4.3　智能交通

如果沿著(zhù)街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量ZigBee終端設備，你就不再擔心會(huì )迷路。安裝在汽車(chē)里的器件將告訴你，你當前所處位置，正向何處去。全球定位系統（GPS）也能提供類(lèi)似服務(wù)，但是這種新的分布式系統能夠向你提供更精確更具體的信息。即使在GPS覆蓋不到的樓內或隧道內，你仍能繼續使用此系統。從ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統能夠得到比GPS多很多的信息，如限速、街道是單行線(xiàn)還是雙行線(xiàn)、前面每條街的交通情況或事故信息等。使用這種系統，也可以跟蹤公共交通情況，你可以適時(shí)地趕上下一班車(chē)，而不至于在寒風(fēng)中或烈日下在車(chē)站等上數十分鐘?；赯igBee技術(shù)的系統還可以開(kāi)發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據交通流量動(dòng)態(tài)調節紅綠燈，追蹤超速的汽車(chē)或被盜的汽車(chē)等。

5、ZigBee發(fā)展現狀及展望

為了推動(dòng)ZigBee技術(shù)的發(fā)展，Chipcon（已被TI收購）與Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance），目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含130多家會(huì )員。該聯(lián)盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月親自造訪(fǎng)中國，以免專(zhuān)利費的方式吸引中國本地企業(yè)加入。據市場(chǎng)研究機構預測，低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)將在未來(lái)兩年內得到快速增長(cháng)，2005年全球ZigBee器件的出貨量將達到100萬(wàn)個(gè)，2006年底將超過(guò)8000萬(wàn)個(gè)，2008年將超過(guò)1.5億個(gè)。這一預言正在從ZigBee聯(lián)盟及其成員近期的一系列活動(dòng)和進(jìn)展中得到驗證。在標準林立的短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，ZigBee的快速發(fā)展可以說(shuō)是有些令人始料不及的，從2004年底標準確立，到2005年底相關(guān)芯片及終端設備總共賣(mài)出1500億美元，應該說(shuō)比被業(yè)界“炒”了多年的藍牙、Wi-Fi進(jìn)展都要快。

ZigBee技術(shù)在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4的推動(dòng)下，結合其他無(wú)線(xiàn)技術(shù)，可以實(shí)現無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò )。它不僅在工業(yè)、農業(yè)、軍事、環(huán)境、醫療等傳統領(lǐng)域有具有巨大的運用價(jià)值，在未來(lái)其應用可以涉及到人類(lèi)日常生活和社會(huì )生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。由于各方面的制約，ZigBee技術(shù)的大規模商業(yè)應用還有待時(shí)日，但已經(jīng)展示出了非凡的應用價(jià)值，相信隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì )得到更大的應用。但是，我們還應該清楚的認識到，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )才剛剛開(kāi)始發(fā)展，它的技術(shù)、應用都還遠談不上成熟，國內企業(yè)應該抓住商機，加大投入力度，推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。