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" title="工業(yè)控制">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" title="低功耗">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" title="Zigbee">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)旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速率" title="低速率">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2.4GHz頻段物理層和868MHz(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15ms,，節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能,。

　　低速率：Zigbee工作在20～250kbit/s的較低速率,，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　近距離：有效覆蓋范圍為10～100m，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境,。

　　低成本：Zigbee簡單而緊湊的協(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65000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，2.4GHz(全球),、915MHz(美國),、868MHz(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2.4GHzISM頻段，使用跳頻" title="跳頻">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1Mbit/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,。可以說Zigbee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)" title="睡眠狀態(tài)">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O(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l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(FullFunctionDevice,，F(xiàn)FD)需要大約32KB內(nèi)存,，而一個(gè)精簡功能設(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)傳輸量小;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,。