什么是ZigBee的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一、引言

近年來，各種無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，極大提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。然而，在日常生活中，我們?nèi)匀槐桓鞣N電纜所束縛，能否在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)各種設(shè)備之間的無線通信？縱觀目前發(fā)展較成熟的幾大無線通信技術(shù)，往往比較復(fù)雜，不但耗費較多資源，成本也比較高，并不適用于短距離無線通信的場合。藍牙技術(shù)的出現(xiàn)使得短距離無線通信成為可能，但是其協(xié)議較復(fù)雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業(yè)控制和家庭網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)——ZigBee。該技術(shù)主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出，它能夠滿足小型化、低成本設(shè)備（如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、環(huán)境檢測傳感器等）的無線聯(lián)網(wǎng)要求，能廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中。

二、ZigBee技術(shù)的特點及應(yīng)用

ZigBee技術(shù)主要用于無線個域網(wǎng)（WPAN），是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的。IEEE802.15.4定義了兩個底層，即物理層和媒體接入控制（MediaAccess Control，MAC）層；ZigBee聯(lián)盟則在IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，該聯(lián)盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入，其目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和QoS（服務(wù)質(zhì)量）要求不高的無線通信應(yīng)用場合。

ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式：蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協(xié)議相比，ZigBee無線協(xié)議復(fù)雜性低、對資源要求少，主要有以下特點：

低功耗：這是ZigBee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發(fā)信息功耗較低、以及采用了休眠機制，ZigBee終端僅需要兩節(jié)普通的五號干電池就可以工作六個月到兩年。

低成本：協(xié)議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了ZigBee的成本，每塊芯片的價格僅2美元，而且ZigBee協(xié)議是免專利費的。

時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。這樣一方面節(jié)省了能量消耗，另一方面更適用于對時延敏感的場合，例如一些應(yīng)用在工業(yè)上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息，以及安裝在廚房內(nèi)的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內(nèi)獲取信息并傳輸給網(wǎng)絡(luò)控制者，從而阻止火災(zāi)的發(fā)生。

傳輸范圍小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節(jié)點的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。

數(shù)據(jù)傳輸速率低：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段只有20kb/s。

數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃杂捎赯igBee采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，從而避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，保證了節(jié)點之間傳輸信息的高可靠性。

ZigBee的出現(xiàn)將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技術(shù)優(yōu)勢，適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：

家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)備的遠程控制以使其更加節(jié)能、便利，煙塵、有毒氣體探測器等可自動監(jiān)測異常事件以提高安全性；

消費性電子設(shè)備：電視、DVD、CD機等電器的遠程遙控（含ZigBee功能的手機就可以支持主要遙控器功能）。

PC外設(shè)：無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等；

工業(yè)控制：利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)使數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易；

醫(yī)療設(shè)備控制：醫(yī)療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等；

交互式玩具。

三、ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)（圖1）是基于標準OSI七層模型的，包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層。

圖1 ZigBee協(xié)議棧

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。兩者均基于直接序列擴頻（DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS）技術(shù)。868MHz只有一個信道，傳輸速率為20kb/s；902MHz～928MHZ頻段有10個信道，信道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都采用BPSK調(diào)制。2.4GHz～2.4835 GHz頻段有16個信道，信道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)制。為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制（MAC）層采用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手協(xié)議。應(yīng)用匯聚層主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置

低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。其中，F(xiàn)FD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之間是無法通信的。RFD的應(yīng)用相對簡單，例如在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。

在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，至少存在一個FFD充當整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點，即PAN協(xié)調(diào)點，ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調(diào)點。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個PAN協(xié)調(diào)點。通常，PAN協(xié)調(diào)點是一個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主要控制者，它負責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間（POS）中充當協(xié)調(diào)點，但它仍然受PAN協(xié)調(diào)點的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點最多可連接255個節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點。