基于ZigBee的無線網絡技術及應用

　　長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以后,曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今,這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經濟、高效、低數據速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術,用于個人區(qū)域網和對等網狀網絡。它是ZigBee應用層和網絡層協議的基礎。 ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據802.15.4標準,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。
　　一般而言,隨著通信距離的增大,設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現有的各種無線通信技術,ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數據速率和通信范圍較小的特點,也決定了ZigBee技術適合于承載數據流量較小的業(yè)務。所以ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業(yè)自動化和醫(yī)用設備控制等。
1 IEEE 802.15.4和ZigBee介紹
　　IEEE無線個人區(qū)域網(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎。802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接,可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等消費與商業(yè)應用領域。傳感器網絡是其主要市場對象。
1.1 802．15．4協議架構及其技術特點
　　IEEE802．15．4滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示) 。 ZigBee Profiles
網絡應用層
數據鏈路層
IEEE802.15.4 LLC 802.2LLC
IEEE802.15.4 MAC
868/915 PHY 2400 PHY

圖1 IEEE802.15.4協議架構

　　IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準,通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,業(yè)務相關的會聚子層)協議承載IEEE802.2類型一的LLC標準,同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務。表1列出了IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能。
表1 IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能

　LLC子層的主要功能: 　IEEE802.15.4的MAC協議主要功能:

　傳輸可靠性保障和控制 　設備間無線鏈路的建立、維護和結束

　數據包的分段與重組 　確認模式的幀傳送與接收

　數據包的順序傳輸 　信道接入控制

　幀校驗

　預留時隙管理

　廣播信息管理 52RD

　　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。它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列擴頻),使用相同的物理層數據包格式,區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段,有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kbps的傳輸速率,有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段,915MHz是美國的ISM頻段,這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s,916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的區(qū)域。表2中概括了802．15．4的一些特點。
表2 IEEE802.15.4標準的主要技術特征

　復雜程度 　比現有標準低 　通信時延 　≥15ms

　目的 　只支持數據通信 　功耗 　約45μs

　頻段,數據率 　868MHz:20kbps 1 　MAC的控制方式 　

　及信數 　925MHz:40kbps 10
　2.4GHz:250kbps 16 　星型網絡,對等網絡 　

　每個網絡
　支持節(jié)數 　65536 　尋址方式 　64bit IEEE地址,
　8bit網絡地址

　連接層結構 　開放式 　溫度 　-40℃～85℃

　傳輸范圍 　室內:10m速率
　250kbps;+0dBmTX
　室外:30m～75m速率
　 40kbps;
　 300m速率,20kbps 　應用 　傳感器,玩具,
　控制領域… 52RD

1.2 ZigBee技術概述
　　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,有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議,ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節(jié)點的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節(jié)。每個協調器可連接多達255個節(jié)點,而幾個協調器則可形成一個網絡,對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發(fā)了安全層,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。
　　完整的Zigbee協議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定,IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。
　　應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上,具體而言包括:
　　(1) 安全與鑒權;
　　(2) 多個業(yè)務數據流的會聚;
　　(3) 設備發(fā)現;
　　(4) 業(yè)務發(fā)現。
　　網絡層將主要考慮采用基于ad hoc技術的網絡協議,應包含以下功能:
　　(1) 通用的網絡層功能:拓撲結構的搭建和維護,命名和關聯業(yè)務,包含了尋址、路由和安全;
　　(2) 同IEEE802.15.4標準一樣,非常省電;
　　(3) 有自組織、自維護功能,以最大程度減少消費者的開支和維護成本。
　　相對于常見的無線通信標準,Zigbee協議套件緊湊而簡單,其具體實現的要求很低,以下是Zigbee協議套件的需求估計:
　　(1) 8位處理器,如80c51;
　　(2) 協議套件軟件需要32kbytes的ROM;
　　(3) 最小協議套件軟件大約4kbytes的ROM;
　　(4) 網絡主節(jié)點需要更多的RAM,以容納網絡內所有節(jié)點的設備信息、數據包轉發(fā)表、設備關聯表、與安全有關的密鑰存儲等。
1.3 整個協議構架
　　在標準制定的分工上,由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務小組共同制定,其中實體層、MAC層、資料鏈結層,以及傳輸過程中的資料加密機制等發(fā)展由IEEE所主導,并共同針對ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進行研討,而未來還能依系統(tǒng)客戶的需求,為不同應用修正其所需之應用界面。ZigBee從802.15.4標準開始著手,目前正在定義允許不同廠商制造的設備相互對話的應用綱要。
1.4 IPV6 Over 802.15.4
　　ZigBee聯盟希望建立一種可連接每個電子設備的無線網。它預言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術,到2007年將達到30億節(jié)點。具有幾十億個節(jié)點的網絡將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間,但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長度,幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設計過程中,除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外,還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題,如端到端IP連接、服務質量(QoS)、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此,將IPV6和802.15.4的結合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft,其標準也不久將出臺。
2 ZigBee技術的優(yōu)勢及應用
2.1 ZigBee技術的主要優(yōu)勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較
　　IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設計用來構建包括恒溫裝置,安全裝置和煤氣讀數表等設備的無線網絡。這是由其主要技術優(yōu)勢決定的:
　　(1) 數據傳輸速率低:只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒,專注于低傳輸應用。
　　(2) 功耗低:在低耗電待機模式下,兩節(jié)普通5號干電池可使用六個月到兩年,免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。
　　(3) 成本低:ZigBee數據傳輸速率低,協議簡單,所以大大降低了成本。且免收專利費。
　　(4) 網絡容量大:每個ZigBee網絡最多可支持255個設備。
　　(5) 時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。
　　(6) 安全:ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能,采用AES-128加密算法。
　　(7) 有效范圍小:有效覆蓋范圍10～75米之間,具體依據實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定,基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
　　(8) 工作頻段靈活:使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國),均為免執(zhí)照頻段。
　　與之相反,藍牙技術基本上只是設計作為有線的替代品,經常是為手機和附近的耳機或PDA聯網用的。它可以在不充電的情況下工作幾周,但無法工作幾個月,更不用說幾年了;
　　一般情況下,藍牙設備需要人手配置和維護網絡連接;它可以用來有效地處理8個設備(一個主設備和7個從設備),如果更多的話,通訊速率則顯著下降。
　　而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網絡的很好的解決方案,但它的功耗卻非常高。
2.2 可能應用及市場發(fā)展
　　ZigBee的出發(fā)點是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無線網絡,同時其低耗電性將使產品的電池能維持6個月到數年的時間。在產品發(fā)展的初期,將以工業(yè)或企業(yè)市場的感應式網路為主,提供感應辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應用。通常符合以下條件之一的應用,就可以考慮采用ZigBee技術:
　　(1) 設備成本很低,傳輸的數據量很小;
　　(2) 設備體積很小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊;
　　(3) 沒有充足的電力支持,只能使用一次性電池;
　　(4) 頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難;
　　(5) 需要較大范圍的通信覆蓋,網絡中的設備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制。
　　根據ZigBee Alliance的觀點,一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置:
　　(1) 空調系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動控制;
　　(2) 老年人與行動不便者的緊急呼叫器;
　　(3) 電視與音響的萬用遙控器, 無線鍵盤、滑鼠、搖桿,玩具;
　　(4) 煙霧偵測器;
　　(5) 智慧型標簽。
　　本文闡述了ZigBee技術及IEEE802.15.4標準及其相關應用,討論了它們的關系和相對其它技術的優(yōu)點,并對其在家庭無線通信網中的應用前景進行了分析和展望。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺,其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用,而不是技術本身。隨著正式版本協議的公布,更多的注意力和研發(fā)力量將轉到應用的設計和實現、互聯互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來,將有越來越多的內置式ZigBee功能的設備進入我們的生活,并將極大地改善我們的生活方式和體驗。
參考文獻
1 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunica-tions and information exchange
between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-
Part15.4:Wireless Medium Acess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for
Low0Rate Wieless Personal Area Net-works(LR-WPANS)
2 韓旭東, 張春業(yè), 李 鵬. 傳感器無線互聯標準及實現.電子技術應用,2004;11
3 中國ZigBee聯盟. ZigBee技術探析