新型無線通信技術(shù)Zigbee

1、引言

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點(diǎn)。各種網(wǎng)絡(luò)終端的出現(xiàn)、工業(yè)控制的自動(dòng)化和家庭的智能化等都迫切需要一種具備低成本、近距離、低功耗、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的無線互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee就是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生的。Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布，將加盟“Zigbee聯(lián)盟”來研發(fā)下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)“Zigbee”。這一標(biāo)準(zhǔn)主要用于近距離無線連接，適合承載數(shù)據(jù)流量較小的工業(yè)控制、醫(yī)用設(shè)備控制、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和消費(fèi)性電子設(shè)備等。

2、Zigbee技術(shù)

（1）Zigbee與IEEE802.15.4

Zigbee是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee技術(shù)并不是完全獨(dú)立、全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、MAC層采用了IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE無線個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）工作組制定的。這一標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10 m左右的低速率連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域。IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，定義了兩個(gè)物理層，即2.4 GHz頻段物理層和868 MHz（歐洲）/915 MHz（北美）頻段物理層。在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中，總共分配了27個(gè)具有三種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個(gè)速率為250 kbit/s的信道，在915 MHz頻段有10個(gè)40 kbit/s的信道，在868 MHz頻段有1個(gè)20 kbit/s的信道。

Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4物理層、MAC層的基礎(chǔ)上，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口（API）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，并對(duì)安全層進(jìn)行了開發(fā)。完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。應(yīng)用匯聚層是把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能；網(wǎng)絡(luò)層則可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護(hù)，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)成本。Zigbee協(xié)議構(gòu)架如圖1所示。

圖1　Zigbee協(xié)議構(gòu)架

（2）Zigbee的特點(diǎn)

Zigbee技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域有著較大的優(yōu)勢(shì)，這主要是它的自身特點(diǎn)決定的。Zigbee的特點(diǎn)如下。

低功耗：在低功耗待機(jī)狀態(tài)下，兩節(jié)五號(hào)干電池可使用6～24個(gè)月，從而免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
短時(shí)延：Zigbee的響應(yīng)速度快，一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15 ms，節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。
低速率：Zigbee工作在20～250 kbit/s的較低速率，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�求�?
近距離：有效覆蓋范圍為10～100 m，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
低成本：Zigbee簡(jiǎn)單而緊湊的協(xié)議大大降低了其對(duì)通信控制的要求，而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。
大容量：Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
高安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)能力，采用AES-128加密算法。
免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）、868 MHz（歐洲）。
　　（3）Zigbee與藍(lán)牙技術(shù)的比較

Bluetooth（藍(lán)牙）技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與通信的開放性標(biāo)準(zhǔn)，它基本上只是設(shè)計(jì)作為有線的替代品。藍(lán)牙也工作在2.4GHz ISM頻段，使用跳頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個(gè)月，更不可能達(dá)到幾年。一般情況下，藍(lán)牙同一時(shí)間只能處理8個(gè)設(shè)備，如果更多的話，通信速率將顯著下降。

藍(lán)牙技術(shù)和Zigbee都致力于短距離無線連接，有很多相似之處，但也有很多不同點(diǎn)。Zigbee與藍(lán)牙的特征比較如表1所示。

表1　Zigbee與Bluetooth特征比較

由表1我們可以清楚地看到Bluetooth技術(shù)集中在1 Mbit/s以上的速率，而且在能量持續(xù)時(shí)間、節(jié)點(diǎn)數(shù)以及反應(yīng)時(shí)間等方面都無法與Zigbee相比擬�？梢哉fZigbee填補(bǔ)了低速率端無線通信技術(shù)的空缺，而且它與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎是無交叉的，這使得Zigbee在工業(yè)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中比Bluetooth更具有優(yōu)勢(shì)。

3、Zigbee的高節(jié)能性

Zigbee之所以得到眾多廠商的大力支持，其低功耗特性是主要原因之一。對(duì)電池供電的簡(jiǎn)單器件而言，更換電池的花費(fèi)往往比器件本身的成本還要高。在有些應(yīng)用中，更換電池不僅麻煩，而且實(shí)際上是不可行的，如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設(shè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。

由于Zigbee應(yīng)用的低帶寬要求，Zigbee節(jié)點(diǎn)可以在大部分時(shí)間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)，以節(jié)省電池能量。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)將被快速喚醒并進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，結(jié)束發(fā)送后又會(huì)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。Zigbee可以在15ms或更短的時(shí)間內(nèi)由睡眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，因此即使處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)也能做到低時(shí)延。

Zigbee強(qiáng)大的節(jié)能性大部分應(yīng)歸功于IEEE802.15.4技術(shù)，因?yàn)楹笳弑旧砭褪菫榈凸β识�設(shè)計(jì)的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS（直接序列擴(kuò)頻）技術(shù)取代FHSS（跳頻頻譜擴(kuò)展）技術(shù)，因?yàn)樘�頻頻譜擴(kuò)展技術(shù)為了保持同步跳頻會(huì)消耗較多的功率。

Zigbee采用一種“準(zhǔn)備好才發(fā)送”的通信策略，它只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再等待自動(dòng)確認(rèn)。“準(zhǔn)備好才發(fā)送”是一種“面對(duì)面”式的方案，是一種能量效率非常高的方案。而且，這種“面對(duì)面”式策略使得射頻干擾非常低，這主要是由于Zigbee節(jié)點(diǎn)具有非常低的占空比，只偶爾發(fā)射信號(hào)且只發(fā)送少量的數(shù)據(jù)。

不過，Zigbee的“準(zhǔn)備好才發(fā)送”方案并不是萬能的。例如，在一個(gè)由成千上萬個(gè)微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，這種方案節(jié)省的能量可能仍不夠用。由于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都定期發(fā)送數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)必須經(jīng)過附近其他的節(jié)點(diǎn)多次反復(fù)傳送才能到達(dá)網(wǎng)絡(luò)控制器，大量的數(shù)據(jù)包沖突和重復(fù)傳送會(huì)浪費(fèi)能量，這樣就會(huì)縮短傳感器節(jié)點(diǎn)的電池壽命。如果傳感器電池非常小并且能量有限的話，就不能滿足系統(tǒng)供電的要求。

但Zigbee仍有更多的節(jié)能設(shè)計(jì)。它通過減少對(duì)相關(guān)處理的需要來進(jìn)一步節(jié)省能量。Zigbee協(xié)議棧非常簡(jiǎn)單，占用很少的內(nèi)存，一個(gè)8位處理器就可以輕松地完成Zigbee的任務(wù)，例如一個(gè)功能強(qiáng)大的全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）需要大約32 KB內(nèi)存，而一個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）只需要4 KB內(nèi)存。而藍(lán)牙技術(shù)則需要約250 KB的內(nèi)存，Zigbee相對(duì)簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)也節(jié)省了費(fèi)用。

4、Zigbee技術(shù)的應(yīng)用前景

Zigbee的出發(fā)點(diǎn)是要發(fā)展一種容易建設(shè)的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)Zigbee聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設(shè)想，產(chǎn)品應(yīng)提供一站式的解決方案，使不熟悉RF技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時(shí)其內(nèi)置的協(xié)議�？赏瓿蒢igbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行應(yīng)用軟件編程即可。

Zigbee主要應(yīng)用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。通常，符合下列條件的應(yīng)用都可以考慮采用Zigbee技術(shù)：設(shè)備距離短；設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸量��；設(shè)備體積小，沒有充足的電力支持；需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多；網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測(cè)或控制。例如，PC外設(shè)（鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操控桿等）、消費(fèi)類電子設(shè)備（VCR、DVD等設(shè)備的遙控裝置）、家庭智能控制（照明、煤氣計(jì)量和報(bào)警等）、玩具、醫(yī)療護(hù)理和工業(yè)控制等領(lǐng)域。