長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今,這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、、低數(shù)據(jù)速率（<250 kbps）、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術(shù),用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。 ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準,在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。
一般而言,隨著通信距離的增大,設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)將是zui低功耗和成本的技術(shù)。同時由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點,也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和設(shè)備控制等。
1 IEEE 802.15.4和ZigBee介紹
IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)（PAN）工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標準是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接,可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場對象。
1.1 802．15．4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點
IEEE802．15．4滿足標準組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層（如圖1所示） 。 | ZigBee Profiles | | 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層 | | 數(shù)據(jù)鏈路層 | | IEEE802.15.4 LLC 802.2LLC | | IEEE802.15.4 MAC | | 868/915 PHY 2400 PHY | 圖1 IEEE802.15.4協(xié)議架構(gòu)
IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準,通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務(wù)相關(guān)的會聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標準,同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。表1列出了IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能。
表1 IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能 | | | | | LLC子層的主要功能: | | IEEE802.15.4的MAC協(xié)議主要功能: | | | | | | 傳輸可靠性保障和控制 | | 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和結(jié)束 | | | | | | 數(shù)據(jù)包的分段與重組 | | 確認模式的幀傳送與接收 | | | | | | 數(shù)據(jù)包的順序傳輸 | | 信道接入控制 | | | | | | | | 幀校驗 | | | | | | | | 預(yù)留時隙管理 | | | | | | | | 廣播信息管理 | | | | |
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準,分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴頻）,使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式,區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段,915MHz是美國的ISM頻段,這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s,916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802．15．4的一些特點。表2 IEEE802.15.4標準的主要技術(shù)特征 | | | | | | | | | 復(fù)雜程度 | | 比現(xiàn)有標準低 | | 通信時延 | | ≥15ms | | | | | | | | 目的 | | 只支持數(shù)據(jù)通信 | 功耗 | 約45μs | | | | | | | | 頻段,數(shù)據(jù)率 | | 868MHz:20kbps 1 | MAC的控制方式 | | | | | | | | | 及信數(shù) | | 925MHz:40kbps 10
2.4GHz:250kbps 16 | 星型網(wǎng)絡(luò),對等網(wǎng)絡(luò) | | | | | | | | 每個網(wǎng)絡(luò)
支持節(jié)數(shù) | | 65536 | 尋址方式 | 64bit IEEE地址,
8bit網(wǎng)絡(luò)地址 | | | | | | | | 連接層結(jié)構(gòu) | | 開放式 | 溫度 | -40℃～85℃ | | | | | | | | 傳輸范圍 | | 室內(nèi):10m速率
250kbps;+0dBmTX
室外:30m～75m速率
40kbps;
300m速率,20kbps | 應(yīng)用 | 傳感器,玩具,
控制領(lǐng)域… | | | | | | | | |
1.2 ZigBee技術(shù)概述
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,有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標準。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議,ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化。*協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點,而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò),對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層,以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。
完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定,IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。
應(yīng)用會聚層將主要負責把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上,具體而言包括:
（1） 安全與鑒權(quán);
（2） 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚;
（3） 設(shè)備發(fā)現(xiàn);
（4） 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。
網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,應(yīng)包含以下功能:
（1） 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能:拓撲結(jié)構(gòu)的搭建和維護,命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù),包含了尋址、路由和安全;
（2） 同IEEE802.15.4標準一樣,非常省電;
（3） 有自組織、自維護功能,以zui大程度減少消費者的開支和維護成本。
相對于常見的無線通信標準,Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡單,其具體實現(xiàn)的要求很低,以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計:
（1） 8位處理器,如80c51;
（2） 協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM;
（3） zui小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM;
（4） 網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點需要更多的RAM,以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等。
1.3 整個協(xié)議構(gòu)架
在標準制定的分工上,由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定,其中實體層、MAC層、資料鏈結(jié)層,以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo),并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研討,而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求,為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用界面。ZigBee從802.15.4標準開始著手,目前正在定義允許不同廠商制造的設(shè)備相互對話的應(yīng)用綱要。
1.4 IPV6 Over 802.15.4
ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個電子設(shè)備的無線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為的無線技術(shù),到2007年將達到30億節(jié)點。具有幾十億個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間,但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度,幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設(shè)計過程中,除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外,還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題,如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此,將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft,其標準也不久將出臺。
2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用
2.1 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較
IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設(shè)計用來構(gòu)建包括恒溫裝置,安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無線網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢決定的:
（1） 數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒,專注于低傳輸應(yīng)用。
（2） 功耗低:在低耗電待機模式下,兩節(jié)普通5號干電池可使用六個月到兩年,免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的*優(yōu)勢。
（3） 成本低:ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單,所以大大降低了成本。且免收費。
（4） 網(wǎng)絡(luò)容量大:每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)zui多可支持255個設(shè)備。
（5） 時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。
（6） 安全:ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,采用AES-128加密算法。
（7） 有效范圍小:有效覆蓋范圍10～75米之間,具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
（8） 工作頻段靈活:使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國）,均為免執(zhí)照頻段。
與之相反,藍牙技術(shù)基本上只是設(shè)計作為有線的替代品,經(jīng)常是為手機和附近的耳機或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周,但無法工作幾個月,更不用說幾年了;
一般情況下,藍牙設(shè)備需要人手配置和維護網(wǎng)絡(luò)連接;它可以用來有效地處理8個設(shè)備（一個主設(shè)備和7個從設(shè)備）,如果更多的話,通訊速率則顯著下降。
而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡(luò)的很好的解決方案,但它的功耗卻非常高。
2.2 可能應(yīng)用及市場發(fā)展
ZigBee的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò),同時其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期,將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應(yīng)式網(wǎng)路為主,提供感應(yīng)辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應(yīng)用。通常符合以下條件之一的應(yīng)用,就可以考慮采用ZigBee技術(shù):
（1） 設(shè)備成本很低,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小;
（2） 設(shè)備體積很小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊;
（3） 沒有充足的電力支持,只能使用一次性電池;
（4） 頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難;
（5） 需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制。
根據(jù)ZigBee Alliance的觀點,一般家庭可將ZigBee應(yīng)用于以下裝置:
（1） 空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動控制;
（2） 老年人與行動不便者的緊急呼叫器;
（3） 電視與音響的萬用遙控器, 無線鍵盤、滑鼠、搖桿,玩具;
（4） 煙霧偵測器;
（5） 智慧型標簽。
本文闡述了ZigBee技術(shù)及IEEE802.15.4標準及其相關(guān)應(yīng)用,討論了它們的關(guān)系和相對其它技術(shù)的優(yōu)點,并對其在家庭無線通信網(wǎng)中的應(yīng)用前景進行了分析和展望。ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺,其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用,而不是技術(shù)本身。隨著正式版本協(xié)議的公布,更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計和實現(xiàn)、互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來,將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備進入我們的生活,并將極大地改善我們的生活方式和體驗。 |
