無線通信技術(shù)ＺｉｇＢｅｅ研究

摘要：基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)具有低成本、近距離、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，正符合未來一些無線互連設(shè)備的需要。本文首先介紹了Zigbee技術(shù)的概念、特點(diǎn)和協(xié)議模型，在此基礎(chǔ)上探討了ZigBee技術(shù)的應(yīng)用并與其他幾種無線通信技術(shù)做了比較。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；IEEE802.15.4；無線通信

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044(2008)06-10000-00

Research on Wireless Communication Technology ZigBee

HU Ke， GUO Zhuang-hui， WANG Lei

(School of Electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 200092，China)

Abstract: That based on IEEE 802.15.4 standard ZigBee has low cost， short distance and low power consumption’s characters， which fit some wireless communication equipments’ needs. This paper introduces ZigBee technology’s concept， characteristics and protocol model， upon these basis discuss application of ZigBee technology and compare this technology with other several wireless communication technologies.

Key words: ZigBee technology; IEEE 802.15.4; Wireless communication

1 引言

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以滿足對(duì)小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制[1]。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信技術(shù)的名稱[2]。Zigbee過去稱為“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的技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)[3]：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

3 ZigBee的協(xié)議模型

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟兩個(gè)組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn)。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂MAC（媒體接入層）與PHY（物理層）規(guī)范。ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱領(lǐng)。ZigBee協(xié)議棧的模型如圖1所示：

圖1 ZigBee協(xié)議棧模型圖

ZigBee的協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層組成[4]。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE負(fù)責(zé)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的制定。下面分別介紹應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層各部分的功能：

（1）、應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體功能包括：1）安全與鑒權(quán)；2）多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚；3）設(shè)備發(fā)現(xiàn)；4）業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層功能如下：1）通用的網(wǎng)絡(luò)層功能，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，尋址、路由和安全；2）有自組織、自維護(hù)功能，最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。

（3）IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC和MAC兩個(gè)子層。其中LLC子層的主要功能包括：1）傳輸可靠性保障和控制；2）數(shù)據(jù)包的分段與重組；3）數(shù)據(jù)包的順序傳輸。MAC協(xié)議包括功能如下：1）設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束；2）確認(rèn)模式的幀傳送和接收；3）通道接入控制；4）幀校驗(yàn)；5）預(yù)留時(shí)隙管理；6）廣播信息管理。

4 ZigBee的應(yīng)用場(chǎng)合：

Zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警），消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

一般而言，滿足如下一些特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，是ZigBee應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)的地方[5]：

（1）需要無線通信交換信息的低成本裝置；

（2）數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>

（3）功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時(shí)間；

（4）需要多個(gè)（尤其是大量）設(shè)備組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的場(chǎng)合。

下面就ZigBee的可能應(yīng)用的幾個(gè)領(lǐng)域舉例加以說明：

（1）工業(yè)領(lǐng)域：

通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)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(cè)和通知，照明系統(tǒng)之感測(cè)，生產(chǎn)機(jī)臺(tái)之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達(dá)到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。

（2）數(shù)字家庭領(lǐng)域：

ZigBee技術(shù)可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度控制等。ZigBee模塊可以安裝在燈泡、遙控器、玩具、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品中。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，直接通過遙控器便可開燈。再如你家里的每一個(gè)成員都可以有一個(gè)私人的電子輪廓（可以是一個(gè)小小的符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的器件），其他器件都可以通過檢測(cè)此輪廓而有所反應(yīng)。現(xiàn)在，假如附近沒有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級(jí)，那么家里的燈光、溫度、音樂和網(wǎng)站都將自動(dòng)按照你的喜好自動(dòng)設(shè)置。

（3）智能交通領(lǐng)域：

如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量的ZigBee終端設(shè)備，你就不用擔(dān)心迷路。安裝在汽車?yán)锏钠骷⒏嬖V你，你當(dāng)前所處的位置。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)能向你提供更精確更具體的信息。使用這種系統(tǒng)，也可以跟蹤公共交通情況，你可以適時(shí)地趕上下一班車，而不至于在車站等上數(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(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。

（4）環(huán)境控制與醫(yī)療護(hù)理領(lǐng)域：

人類始終面臨著各種威脅生命的因素，如火災(zāi)、水災(zāi)和地震等，所以，人類也一直在構(gòu)建挽救生命的系統(tǒng)。但目前已有的許多系統(tǒng)實(shí)際上不是非常有效的，有些太復(fù)雜、太昂貴，難以普及；有些因?yàn)殡姵匮杆俸谋M而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系統(tǒng)最為關(guān)鍵的聯(lián)網(wǎng)能力。由于具備連接簡(jiǎn)單器件（如傳感器和激活器等）的能力，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)能監(jiān)視各種事件，當(dāng)需要時(shí)自動(dòng)采取相應(yīng)的行動(dòng)。作為一個(gè)為低速率、低成本和低功耗應(yīng)用而設(shè)計(jì)的全球標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)很有希望應(yīng)用于上述情況。

5 與其他幾種無線通信技術(shù)的比較：

目前，市場(chǎng)上的近距離無線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、無線局域網(wǎng)WiFi和一些專用標(biāo)準(zhǔn)（如Ad hoc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開拓市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如超寬帶通信UWB和WiMax等。下面對(duì)這些技術(shù)作一些簡(jiǎn)要介紹和比較[6]：

藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個(gè)年頭，一直受芯片價(jià)格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應(yīng)用在無線耳機(jī)等不需要很高傳輸帶寬的領(lǐng)域，且互通性方面也存在問題。

WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領(lǐng)市場(chǎng)；采用IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4GHz直接序列擴(kuò)頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps，并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸率調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬；采用最新的802.11g時(shí)，速率可達(dá)54Mbps，是目前應(yīng)用最廣的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術(shù)。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調(diào)制技術(shù)，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術(shù)陣營競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)期的通信距離5～10m，速率甚至可高達(dá)1Gbps，非常適合于家用消費(fèi)電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

作為WiFi下一代技術(shù)的WiMax，被設(shè)想成一項(xiàng)無線城域網(wǎng)接入技術(shù)，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號(hào)傳輸半徑可達(dá)到50km。圖2是以上幾種無線通信技術(shù)的速率/距離比較。

從圖2中看出，主要的無線技術(shù)都集中在1Mbps以上的速率，新的標(biāo)準(zhǔn)還在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填補(bǔ)低速率端無線通信技術(shù)的空缺，與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎無交叉。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動(dòng)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場(chǎng)。從現(xiàn)今的市場(chǎng)看，每一種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品都有各自的一些特點(diǎn)，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時(shí)間內(nèi)，雖然會(huì)有一些競(jìng)爭(zhēng)，但仍會(huì)有多種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品在市場(chǎng)上共存。

圖2 無線通信技術(shù)比較

6 結(jié)束語

本文闡述了ZigBee技術(shù)的概念、特點(diǎn)、協(xié)議模型以及相關(guān)應(yīng)用，并與其他一些無線通信技術(shù)如藍(lán)牙、WiFi、UWB、WiMax做了對(duì)比。無線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、家庭自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令ZigBee應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee技術(shù)可以通過結(jié)合其他無線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。這也顯示出ZigBee具有超強(qiáng)的生命力和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分看好，值得廣大嵌入式應(yīng)用的技術(shù)人員關(guān)注。相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，ZigBee技術(shù)一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。

7 致謝

本文研究得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（70531020）資助，在此謹(jǐn)表謝意。

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收稿日期：2008-01-12

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（70531020）

作者簡(jiǎn)介：胡柯（1983-），男，浙江奉化市人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茏詣?dòng)化；郭壯輝（1982-）碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄茏詣?dòng)化。汪鐳（1970-），男，江蘇無錫市人，教授，博士生導(dǎo)師，從事智能自動(dòng)化理論與應(yīng)用研究等。