ZigBee短距離無線通信技術

1．ZigBee技術概述

　　ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層和數據鏈路層協議為IEEE 802.15.4協議標準，網絡層和安全層由ZigBee聯盟制定，應用層的開發(fā)應用根據用戶的應用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。

　　根據IEEE 802.15.4協議標準，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數據不同，因而，在該項技術標準中，各頻段上的調制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學（indus- trial，scientific and medical，ISM）頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數據傳輸速率為 250Kb／s；另外兩個頻段為915／868MHz，其相應的信道個數分別為10個和1個，傳輸速率分別為40Kb／s和ZOKb／s，868MHz和 915MHz無線電使用直接序列擴頻技術和二進制相移鍵控（BPSK）調制技術。2.4GHz無線電使用DSSS和偏移正交相移鍵控（O－QPSK）。

　　在組網性能上，ZigBee可以構造為星形網絡或者點對點對等網絡，在每一個ZigBee組成的無線網絡中，連接地址碼分為16b短地址或者64b長地址，可容納的最大設各個數分別為216和264個，具有較大的網絡容量。

　　在無線通信技術上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。

　　ZigBee設備為低功耗設各，其發(fā)射輸出為 0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據這些檢測結果，設各可以自動調整設各的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設各能量。

　　為保證ZigBee設備之間通信數據的安全保密性，ZigBee技術采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。

　　2． ZigBee技術特點

　　 ZigBee技術則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設各使用的極低復雜度、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：

　　（1）數據傳輸速率低

　　只有10～250Kb／s，專注于低傳輸速率應用。無線傳感器網絡不傳輸語音、視頻之類的大數據量的采集數據，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數據。

　　（2）功耗低

　　工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，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，耗電量僅僅只有1μW。設各搜索時延一般為 30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接人時延為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設各非常省電，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t％的情況，電池的壽命甚至可以超過1年。

　?。?）數據傳輸可靠

　　ZigBee的介質鏈路層（以MAC層）采用CSMA－CA碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數據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)信息傳輸的可靠性。同時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)送數據時的竟爭和沖突。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。

　?。?）網絡容量大

　　ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸的特點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）。網絡協調器（coordinator）是一種全功能器件，而網絡節(jié)點通常為簡化功能器件。如果通過網絡協調器組建無線傳感器網絡，整個網絡最多可以支持超過65 000個ZigBee網絡節(jié)點，再加上各個網絡協調器可互相連接，整個ZigBee網絡節(jié)點的數目將十分可觀。

　　（5）自動動態(tài)組網、自主路由

　　無線傳感器網絡是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網絡，而且網絡的使用者也希望能在需要的時候向已有的網絡中加人新的傳感器節(jié)點。

　　（6）兼容性

　　ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

　?。?）安全性

　　ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據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提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據。對于第二級安全級別，器件可以使用接人控制清單（ACL）來防止非法器仵獲取數據。

　　在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。

　?。?）實現成本低

　　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協議免專利費用。無線傳感器網絡中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴格地控制節(jié)點的成本，那么網絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網絡的強大功能。

　　3．ZigBee協議棧結構

　　ZigBee技術的協議棧結構很簡單，不像諸如藍牙和其他網絡結構，這些網絡結構通常分為7層，而ZigBee技術僅分為4層，如圖所示。

圖 ZigBee協議棧

　在ZigBee技術中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，其中，PHY層提供了兩種類型的服務：即通過物理層管理實體接口對PHY層數據和PHY層管理提供服務。PHY層數據服務可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協議數據單元來實現。

　　PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量監(jiān)測，鏈路質量，信道選擇，清除信道評估，以及通過物理介質對數據包進行發(fā)送和接收。同樣，MAC層也提供了兩種類型的服務：通過MAC層管理實體服務接人點向MAC層數據和MAC層管理提供服務。MAC層數據服務可以通過PHY層數據服務發(fā)送和接收MAC層協議數據單元

　　MAC層的具體特征是：信標管理，信道接入，時隙管理，發(fā)送確認幀，發(fā)送連接及斷開連接請求。除此以外，MAC層為應用合適的安全機制提供一些方法。

　　ZigBee技術的網絡／安全層主要用于ZigBee的WPAN的組網連接、數據管理以及網絡安全等；應用層主要為ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術進行開發(fā)應用。

　　根據ZigBee Alliance的觀點，一般家庭可將ZigBee應用于以下裝置：

　?、倏照{系統(tǒng)的溫度控制器，燈光、窗簾的自動控制。

　?、诶夏耆伺c行動不便者的緊急呼叫器。

　?、垭娨暸c音響的萬用遙控器，無線鍵盤、滑鼠、搖桿，玩具。

　?、軣熿F偵測器。

　?、葜腔坌蜆撕?。