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ZigBee技术及其应用

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摘要 首先介绍了Zigbee技术的概念、特点及协议框架,在此基础上探讨了ZigBee技术的应用,最后对其发展趋势做了展望。
关键词 ZigBee技术 IEEE802.15.4 发展趋势

1、简介
  ZigBee技术是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术,目前统一称为ZigBee技术。

2、ZigBee技术的特点
  自从马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络(3G)目的在于提供多媒体无线服务,局域网范围内的标准从IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的数据速率。而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点:
  功耗低:工作模式情况下,ZigBee技术传输速率低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很短,其次在非工作模式时,ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式,使得ZigBee节点非常省电,ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时,由于电池时间取决于很多因素,例如:电池种类、容量和应用场合,ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用,碱性电池可以使用数年,对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况,电池的寿命甚至可以超过10年。

  数据传输可靠:ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时则立刻传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,并进行确认信息回复,若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

  网络容量大:ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件,要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,可以按3种方式工作,分别为:个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点,其中一个是主控(Master)设备,其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点,再加上各个Network Coordinator可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

  兼容性:ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)方式进行信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。

  安全性:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式,对于某种应用,如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。

  实现成本低:模块的初始成本估计在6美元左右,很快就能降到1.5-2.5美元,且Zigbee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅为几美分。

3、ZigBee协议框架
  Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。与其他无线标准如802.11或802.16不同,Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。ZigBee V1.0版本的网络标准连同灯光控制设备描述已于2004年底推出,其它应用领域及相关设备的描述也会在随后的时间里陆续发布。如图1所示。 
ZigBee协议框架

图1 ZigBee协议框架

  在标准规范的制订方面,主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织,两者分别制订硬件与软件标准,两者的角色分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系。在IEEE 802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订MAC与PHY(物理层)规范,在2003年5月通过802.15.4标准,802.15.4任务小组目前在着手制订802.15.4b标准,此标准主要是加强802.15.4标准,包括:解决标准有争议的地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。ZigBee建立在802.15.4标准之上,它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层,并不足以保证不同的设备之间可以对话,于是便有了ZigBee联盟。

  ZigBee兼容的产品工作在IEEE802.15.4的PHY上,其频段是免费开放的,分别为2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。采用ZigBee技术的产品可以在2.4GHz上提供250kbit/s(16个信道)、在915MHz提供40kbit/s(10个信道)和在868MHz上提供20kbit/s(1个信道)的传输速率。传输范围依赖于输出功率和信道环境,介于10m到100m之间,一般是30m左右。由于ZigBee使用的是开放频段,已有多种无线通讯技术使用。因此为避免被干扰,各个频段均采用直接序列扩频技术。同时,PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。

  在这3个不同频段,都采用相位调制技术,2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kbit/s的速率,并降低工作时间,以减少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面,则采用BPSK的调制技术。相比较2.4GHz频段,900MHz频段为低频频段,无线传播的损失较少,传输距离较长,其次此频段过去主要是室内无绳电话使用的频段,现在因室内无绳电话转到2.4GHz,干扰反而比较少。

  在MAC层上,主要沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式,以提高系统兼容性,所谓的CSMA/CA是在传输之前,会先检查信道是否有数据传输,若信道无数据传输,则开始进行数据传输,若产生碰撞,则稍后一段时间重传。

  在网络层方面,ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑,也允许两者的组合,称为丛集树状。根据节点的不同角色,可分为全功能设备(Full-Function Device;FFD)与精简功能设备(Reduced-Function Device;RFD)。相较于FFD,RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器(Controller)的功能,能够提供数据交换,而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。

  ZigBee协议套件紧凑且简单,具体实现的硬件需求很低,8位微处理器80c51即可满足要求,全功能协议软件需要32K字节的ROM,最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。
ZigBee无线网络的拓扑结构

图2 ZigBee无线网络的拓扑结构

4、基于ZigBee技术的应用
  随着ZigBee规范的进一步完善,许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。其典型应用领域如下:
  4.1 数字家庭领域
  可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等,例如在灯泡中装置ZigBee模块,则人们要开灯,就不需要走到墙壁开关处,直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时,灯光会自动减弱;当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时,电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息,传送到中央控制设备,或是通过遥控达到远程控制的目的,提供家居生活自动化、网络化与智能化。韩国第三大移动手持设备制造商Curitel Communications公司已经开始研制世界上第一款Zigbee手机,该手机将可通过无线的方式将家中或是办公室内的个人电脑、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了“Zigbee”技术,能够使手机用户在短距离内操纵电动开关和控制其他电子设备。

  4.2 工业领域
  通过ZigBee网络自动收集各种信息,并将信息回馈到系统进行数据处理与分析,以利工厂整体信息之掌握,例如火警的感测和通知,照明系统之感测,生产机台之流程控制等,都可由ZigBee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制的目的。韩国的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平台上成功研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及水表,从而为公用事业企业节省数百万美元,此项技术正在进行前期测试,很快将在美国市场上推出。

  4.3 智能交通
  如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量ZigBee终端设备,你就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉你,你当前所处位置,正向何处去。全球定位系统(GPS)也能提供类似服务,但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内,你仍能继续使用此系统。从ZigBee无线网络系统能够得到比GPS多很多的信息,如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统,也可以跟踪公共交通情况,你可以适时地赶上下一班车,而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于ZigBee技术的系统还可以开发出许多其他功能,例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

5、ZigBee发展现状及展望
  为了推动ZigBee技术的发展,Chipcon(已被TI收购)与Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorola、Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟(ZigBee Alliance),目前该联盟已经包含130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月亲自造访中国,以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测,低功耗、低成本的ZigBee技术将在未来两年内得到快速增长,2005年全球ZigBee器件的出货量将达到100万个,2006年底将超过8000万个,2008年将超过1.5亿个。这一预言正在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线通信领域,ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及的,从2004年底标准确立,到2005年底相关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元,应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、Wi-Fi进展都要快。

  ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下,结合其他无线技术,可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值,在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约,ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日,但已经展示出了非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大的应用。但是,我们还应该清楚的认识到,基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展,它的技术、应用都还远谈不上成熟,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业的发展。

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