2,、ZigBee技術的特點

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術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)范圍內的第三代移動通信網(wǎng)絡（3G）目的在于提供多媒體無線服務,，局域網(wǎng)范圍內的標準從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技術則致力于提供一種廉價的固定,、便攜或者移動設備使用的極低復雜度,、成本和功耗的低速率無線通信技術。這種無線通信技術具有如下特點：

功耗低：工作模式情況下,，ZigBee技術傳輸速率低,，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。設備搜索時延一般為30ms,，休眠激活時延為15ms,，活動設備信道接入時延為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,、容量和應用場合,，ZigBee技術在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用,，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)目煽啃浴Ｍ瑫r為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,，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)調器,、協(xié)調器或器件,。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用,。一個ZigBee的網(wǎng)絡最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點,，其中一個是主控（Master）設備，其余則是從屬（Slave）設備,。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調器（Network Coordinator）,，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過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)絡節(jié)點的數(shù)目將十分可觀,。

兼容性：ZigBee技術與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調器（Coordinator）自動建立網(wǎng)絡,，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),、安全和應用軟件方面的技術標準,。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)絡標準連同燈光控制設備描述已于2004年底推出,，其它應用領域及相關設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用綱要,。802.15.4僅僅定義了實體層和介質訪問層,，并不足以保證不同的設備之間可以對話，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,。同時，PHY的直接序列擴頻技術允許設備無需閉環(huán)同步,。

在這3個不同頻段,，都采用相位調制技術，2.4GHz采用較高階的QPSK調制技術以達到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的調制技術,。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無繩電話使用的頻段，現(xiàn)在因室內無繩電話轉到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,，可分為全功能設備（Full-Function Device,；FFD）與精簡功能設備（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)絡的拓撲結構

4 基于ZigBee技術的應用

　　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技術的無線網(wǎng)絡應用領域有家庭自動化,、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情況等等。其典型應用領域如下：

4.1 數(shù)字家庭領域

　　可以應用于家庭的照明,、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終端設備可以收集家庭各種信息,，傳送到中央控制設備，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)絡化與智能化。韓國第三大移動手持設備制造商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的個人電腦,、家用設備和電動開關連接起來。這種手機融入了“Zigbee”技術,，能夠使手機用戶在短距離內操縱電動開關和控制其他電子設備,。

4.2 工業(yè)領域

　　通過ZigBee網(wǎng)絡自動收集各種信息，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)絡提供相關信息,，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,，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覆蓋不到的樓內或隧道內，你仍能繼續(xù)使用此系統(tǒng),。從ZigBee無線網(wǎng)絡系統(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?；赯igBee技術的系統(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)調節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等,。

5 ZigBee技術及與Wi-Fi的區(qū)別