ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用

1、簡介

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設(shè)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。

2、ZigBee技術(shù)的特點

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G）目的在于提供多媒體無線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數(shù)據(jù)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的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：

功耗低：工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。設(shè)備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應(yīng)用場合，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(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間（工作時間+休眠時間）之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。

數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒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(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。

網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作，分別為：個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應(yīng)用。一個ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控（Master）設(shè)備，其余則是從屬（Slave）設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，再加上各個Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。
　
兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標準無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA-CA）方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應(yīng)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轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。

實現(xiàn)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)議免專利費用。目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元。而ZigBee的價格目標僅為幾美分。

3、ZigBee協(xié)議框架

Zigbee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準。與其他無線標準如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(shù)據(jù)流量。ZigBee V1.0版本的網(wǎng)絡(luò)標準連同燈光控制設(shè)備描述已于2004年底推出，其它應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)設(shè)備的描述也會在隨后的時間里陸續(xù)發(fā)布。如圖1所示。



圖1　ZigBee協(xié)議框架

在標準規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，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(guī)范，在2003年5月通過802.15.4標準，802.15.4任務(wù)小組目前在著手制訂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(yīng)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(yīng)用綱要。802.15.4僅僅定義了實體層和介質(zhì)訪問層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對話，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個信道）、在915MHz提供40kbit/s（10個信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1個信道）的傳輸速率。傳輸范圍依賴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使用的是開放頻段，已有多種無線通訊技術(shù)使用。因此為避免被干擾，各個頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。同時，PHY的直接序列擴頻技術(shù)允許設(shè)備無需閉環(huán)同步。

在這3個不同頻段，都采用相位調(diào)制技術(shù)，2.4GHz采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)以達到250kbit/s的速率，并降低工作時間，以減少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，則采用BPSK的調(diào)制技術(shù)。相比較2.4GHz頻段，900MHz頻段為低頻頻段，無線傳播的損失較少，傳輸距離較長，其次此頻段過去主要是室內(nèi)無繩電話使用的頻段，現(xiàn)在因室內(nèi)無繩電話轉(zhuǎn)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(tǒng)兼容性，所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進行數(shù)據(jù)傳輸，若產(chǎn)生碰撞，則稍后一段時間重傳。 

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，稱為叢集樹狀。根據(jù)節(jié)點的不同角色，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device；RFD）。相較于FFD，RFD的電路較為簡單且存儲體容量較小。FFD的節(jié)點具備控制器（Controller）的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換，而RFD則只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。

ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡單，具體實現(xiàn)的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節(jié)的ROM，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節(jié)的ROM。



圖2　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

4、基于ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

隨著ZigBee規(guī)范的進一步完善，許多公司均在著手開發(fā)基于ZigBee的產(chǎn)品。采用ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域有家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境控制與醫(yī)療護理、檢測環(huán)境、監(jiān)測、監(jiān)察保鮮食品的運輸過程及保質(zhì)情況等等。其典型應(yīng)用領(lǐng)域如下：

4.1　數(shù)字家庭領(lǐng)域

可以應(yīng)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、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關(guān)處，直接通過遙控便可開燈。當你打開電視機時，燈光會自動減弱；當電話鈴響起時或你拿起話機準備打電話時，電視機會自動靜音。通過ZigBee終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備，或是通過遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活自動化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。韓國第三大移動手持設(shè)備制造商Curitel Communications公司已經(jīng)開始研制世界上第一款Zigbee手機，該手機將可通過無線的方式將家中或是辦公室內(nèi)的個人電腦、家用設(shè)備和電動開關(guān)連接起來。這種手機融入了“Zigbee”技術(shù)，能夠使手機用戶在短距離內(nèi)操縱電動開關(guān)和控制其他電子設(shè)備。

4.2　工業(yè)領(lǐng)域

通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如火警的感測和通知，照明系統(tǒng)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Atmel和Ember的平臺上成功研發(fā)出基于ZigBee技術(shù)的自動抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)無需手動讀取電表、天然氣表及水表，從而為公用事業(yè)企業(yè)節(jié)省數(shù)百萬美元，此項技術(shù)正在進行前期測試，很快將在美國市場上推出。

4.3　智能交通

如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量ZigBee終端設(shè)備，你就不再擔心會迷路。安裝在汽車里的器件將告訴你，你當前所處位置，正向何處去。全球定位系統(tǒng)（GPS）也能提供類似服務(wù)，但是這種新的分布式系統(tǒng)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(nèi)或隧道內(nèi)，你仍能繼續(xù)使用此系統(tǒng)。從ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠得到比GPS多很多的信息，如限速、街道是單行線還是雙行線、前面每條街的交通情況或事故信息等。使用這種系統(tǒng)，也可以跟蹤公共交通情況，你可以適時地趕上下一班車，而不至于在寒風中或烈日下在車站等上數(shù)十分鐘。基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)交通流量動態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。

5、ZigBee發(fā)展現(xiàn)狀及展望

為了推動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多家會員。該聯(lián)盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月親自造訪中國，以免專利費的方式吸引中國本地企業(yè)加入。據(jù)市場研究機構(gòu)預(yù)測，低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)將在未來兩年內(nèi)得到快速增長，2005年全球ZigBee器件的出貨量將達到100萬個，2006年底將超過8000萬個，2008年將超過1.5億個。這一預(yù)言正在從ZigBee聯(lián)盟及其成員近期的一系列活動和進展中得到驗證。在標準林立的短距離無線通信領(lǐng)域，ZigBee的快速發(fā)展可以說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(shè)備總共賣出1500億美元，應(yīng)該說比被業(yè)界“炒”了多年的藍牙、Wi-Fi進展都要快。

ZigBee技術(shù)在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)，可以實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運用價值，在未來其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。由于各方面的制約，ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應(yīng)用。但是，我們還應(yīng)該清楚的認識到，基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)才剛剛開始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠談不上成熟，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業(yè)的發(fā)展。