ZigBee規(guī)范與系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求剖析

無線技術(shù)在人們的生活中愈來愈重要，目前市場(chǎng)上的焦點(diǎn)技術(shù)包括Wi-Fi、3G/HSDPA、WiMAX、UWB、藍(lán)牙等等，這些技術(shù)都與人們直接存取數(shù)據(jù)的應(yīng)用有關(guān)，例如上網(wǎng)、下載影音文件或撥打電話。不過，有另一類無線應(yīng)用也正在快速的發(fā)展中，此類應(yīng)用與人們的使用雖不一定直接相關(guān)，但對(duì)生活的便利性也有相當(dāng)大的幫助。

這就是所謂的無線傳感或控制網(wǎng)絡(luò)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，只要是具有控制或傳感功能的電子設(shè)備，在加入無線通訊功能后，再結(jié)合適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)拓樸機(jī)制，就能組成具有自動(dòng)控制、傳感及監(jiān)控等功能的電子設(shè)備網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，例如可用于家庭看護(hù)監(jiān)控、入侵監(jiān)控、家電自動(dòng)化、工廠作業(yè)監(jiān)控、資產(chǎn)出貨管理及環(huán)境監(jiān)測(cè)等等。

這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有一些特性，與我們常用的網(wǎng)絡(luò)很不相同，這些特性大致整理如下：
*它們只需傳輸有限的數(shù)據(jù)，因此不會(huì)要求高速的帶寬；
*無線收發(fā)器的傳輸距離不需太遠(yuǎn)，但要能與鄰近節(jié)點(diǎn)形成可靠的網(wǎng)絡(luò)；
*這類裝置通常使用電池做為電源，而且需要有長時(shí)間的使用壽命，因此必須是非常省電的設(shè)計(jì)；
*這類裝置的尺寸通常很小，因此內(nèi)部的元件集成度要高；
*它們的使用環(huán)境可能極為嚴(yán)苛，所以耐用性要求甚高；
*網(wǎng)絡(luò)布建的規(guī)?？赡芎艽?，因此建置及設(shè)備成本不能太高；
*在建置上需考慮節(jié)點(diǎn)及通訊網(wǎng)路在故障狀況下的容錯(cuò)性。

能滿足這些條件的無線技術(shù)并不多，ZigBee正是專為此類應(yīng)用而規(guī)劃的技術(shù)，以下將介紹ZigBee的重要技術(shù)規(guī)格及系統(tǒng)架構(gòu)。

ZigBee底層技術(shù)：IEEE 802.15.4

ZigBee是由ZigBee Alliance所制定的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，此聯(lián)盟是由50多家公司聯(lián)合起草的，目前加入的公司已有大約200家，他們來自半導(dǎo)體業(yè)、軟件開發(fā)商、終端產(chǎn)品制造商和服務(wù)供貨商，其中一些來自電信業(yè)。會(huì)員中雖然有很多國際知名的廠商，但目前并沒有真正能主導(dǎo)市場(chǎng)或技術(shù)發(fā)展的廠商。ZigBee的第一個(gè)公開版本(ZigBee V1.0)于2005年6月底公布，在2006年12月又制定了V1.1的新版本，此版本又稱為ZigBee 2006；從發(fā)布至今，市場(chǎng)上有超過30個(gè)兼容的平臺(tái)。下一版V1.2正在如火如荼的制定中，預(yù)定在今年年中會(huì)公布，此版本又稱為ZigBee Pro或ZigBee 2007。

圖1  ZigBee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)模型

ZigBee規(guī)范是專為大型網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的，它最多能支持65536個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它的底層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層(MAC)及物理層(PHY)，能夠滿足無線控制及傳感應(yīng)用所需要的低傳輸率、低功耗、支持大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等條件。在無線射頻部分，IEEE 802.15.4支持2.4GHz(2450MHz)和868/915MHz兩個(gè)頻段，其中2.4GHz頻段中可提供250kbit/s的物理層數(shù)據(jù)傳輸率，以及16個(gè)不同的信道；868/915MHz頻段中，868MHz支持1個(gè)數(shù)據(jù)速率為20kbit/s的信道，915MHz支持10個(gè)數(shù)據(jù)速率為40kbit/s的信道。針對(duì)2.4GHz頻段，802.15.4采用Offset QPSK調(diào)變技術(shù)，并在868/915MHz的頻段采用BIT/SK，此做法能讓功耗降到最低，也能減少設(shè)計(jì)復(fù)雜度。此外，它也導(dǎo)入直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，DSSS采用全頻帶傳送數(shù)據(jù)，使得原來較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲。ZigBee工作在IEE802.15.4規(guī)范的ISM頻段，在歐洲是868MHz，在美國是915MHz，在其他國家主要是使用2.4 GHz頻段。至于MAC層方面，802.15.4規(guī)范了相鄰設(shè)備間單跳數(shù)據(jù)通訊的規(guī)則，它負(fù)責(zé)設(shè)立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提供兩個(gè)設(shè)備之間的可靠鏈接。

ZigBee協(xié)定

再來看看ZigBee協(xié)定。它的協(xié)議層從下到上分別為物理層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)等。網(wǎng)絡(luò)裝置的角色可分為ZigBee 協(xié)調(diào)器(Coordinator)、ZigBee Router、ZigBee EndDevice等三種。它支持星狀(Star)、網(wǎng)狀(Mesh)和網(wǎng)狀-樹狀(Mesh-tree)三種網(wǎng)絡(luò)拓樸。其中星狀網(wǎng)絡(luò)最單純，所有的信息都會(huì)路由到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器來發(fā)起一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并分派網(wǎng)絡(luò)地址，這和網(wǎng)絡(luò)集線器(hub)的架構(gòu)很相似。

圖2  ZigBee協(xié)議層結(jié)構(gòu)

1. 拓樸架構(gòu)

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector routing)技術(shù)的修改版本，它使信息在節(jié)點(diǎn)之間傳遞，即便任何節(jié)點(diǎn)失效或掉線，數(shù)據(jù)仍能到達(dá)目的地，因此具有最佳的可靠性。協(xié)調(diào)器只需啟動(dòng)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，建立后，就不用擔(dān)心因某一點(diǎn)故障而造成網(wǎng)絡(luò)不通。當(dāng)有更多的收發(fā)器或節(jié)點(diǎn)加入，就會(huì)形成更密集的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而提升其可靠度。

圖3  各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?BR>
Mesh-tree網(wǎng)絡(luò)則采用C-Skip算法，也就是依協(xié)調(diào)器、路由器和終端器的角色來決定節(jié)點(diǎn)的布局。每個(gè)路由器都知道自己的下屬節(jié)點(diǎn)，當(dāng)它收到訊號(hào)時(shí)，會(huì)使用一套公式來決定如何傳送這個(gè)信息。純粹的樹狀網(wǎng)絡(luò)本身并不可靠，因?yàn)檫B結(jié)隨時(shí)可能會(huì)中斷，加入Mesh的功能就能自我修復(fù)中斷的連結(jié)。

2. 應(yīng)用層規(guī)范

與產(chǎn)品使用緊密相關(guān)的，則是應(yīng)用層的設(shè)計(jì)。ZigBee應(yīng)用層包含應(yīng)用程序支持子層(APS)、應(yīng)用程序架構(gòu)(AF)、ZigBee裝置管控對(duì)象(ZDO)與各廠商定義的應(yīng)用程序?qū)ο蟆４送?，ZigBee還定義了應(yīng)用規(guī)格(Application Profile)，它針對(duì)各種不同的應(yīng)用情境定義出概略的行為藍(lán)圖，讓特定應(yīng)用中采用此規(guī)格的裝置之間能夠互相操作，例如只要家庭控制照明(Home Control Lighting, HCL)的應(yīng)用規(guī)格，不同廠商的燈光開關(guān)也能用來控制各種的照明燈具。

為了保證產(chǎn)品之間的互操作性，目前有7個(gè)次團(tuán)體正在制定ZigBee的公用規(guī)格(Public Profile)，一些有趣的應(yīng)用領(lǐng)域及ZigBee解決方案包括：貨物運(yùn)送的資產(chǎn)管理、家庭看護(hù)監(jiān)控、商用照明控制、旅館空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)能源管理、先進(jìn)電表平臺(tái)等。所有采用ZigBee公用規(guī)格的認(rèn)證合格產(chǎn)品，都可以在此產(chǎn)品上使用ZigBee語言和標(biāo)志。設(shè)備制造商也可以在公用規(guī)格之上加入額外的功能，以讓他們的產(chǎn)品顯得獨(dú)特和具有加值性。此外，廠商也可以自己設(shè)計(jì)專屬的規(guī)格，也就是在ZigBee兼容平臺(tái)之上開發(fā)專屬性的產(chǎn)品。目前ZigBee聯(lián)盟提供三大測(cè)試項(xiàng)目，分別是ZigBee兼容性平臺(tái)、ZigBee認(rèn)證(ZigBee Certified)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持(ZigBee Network Capable)。

ZigBee系統(tǒng)需求

ZigBee節(jié)點(diǎn)往往僅需要一對(duì)AA電池就能工作大約一年甚至許多年，因此它的功耗必須很低，其軟、硬件技術(shù)架構(gòu)自然不能太過復(fù)雜。以網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來說，相較于802.11動(dòng)輒需要1MB以上的程序內(nèi)存，ZigBee對(duì)程序代碼的空間需求很低，通常只需32KB至70KB，因此非常適用于無線控制及傳感節(jié)點(diǎn)的單純?cè)O(shè)計(jì)架構(gòu)。

圖4  ZigBee系統(tǒng)示意

除了無線的部分，在硬件架構(gòu)上，目前業(yè)界與學(xué)界已發(fā)展出多套適合的硬件系統(tǒng)，包括：BTnode rev2/rev3、Imote/Imote2、Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZ、WiseNet等；常被采用的處理器則包括：ARM7、Atmel AVR、Xscale、Intel 8051、PIC、TI MSP430等。這類系統(tǒng)皆具有低成本、低功耗和微小化的特性。在軟件方面，ZigBee協(xié)議必須執(zhí)行在適當(dāng)?shù)那度胧讲僮飨到y(tǒng)或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)之上。此類操作系統(tǒng)不需要如PC操作系統(tǒng)一般支持復(fù)雜的應(yīng)用程序及使用者接口；由于在內(nèi)存映像硬件支持上的限制，此類操作系統(tǒng)也不需或無法建置虛擬內(nèi)存(virtual memory)的機(jī)制。

此外，由于無線控制及傳感網(wǎng)絡(luò)中最耗電的動(dòng)作是數(shù)據(jù)的傳送，因此這類軟件需采用特殊的算法，通常是使用多點(diǎn)跳躍(multi-hop)的傳送方式，也就是從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一直往基地臺(tái)的目的地傳送，進(jìn)而能將單次的傳輸功耗降到最低。

另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)機(jī)制是為節(jié)點(diǎn)加入休眠功能，也就是當(dāng)設(shè)備不需傳感、控制或傳送數(shù)據(jù)時(shí)，就讓此節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠的模式。但開關(guān)收發(fā)器(亦即進(jìn)入睡眠狀態(tài)或結(jié)束睡眠狀態(tài))也會(huì)造成不小的功率損耗，因此如何安排節(jié)點(diǎn)的休眠時(shí)間表(scheduling)也成為一項(xiàng)重要的研究課題。

結(jié)語

以電子設(shè)備為中心的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模其實(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以人為中心的信息及娛樂性網(wǎng)絡(luò)。在家庭、辦公室、工業(yè)環(huán)境、醫(yī)療院所等等地方已使用了太多的電子設(shè)備，而另一種以傳感用途為主的設(shè)備也開始廣為布建，當(dāng)這些節(jié)點(diǎn)具備了網(wǎng)絡(luò)連結(jié)與控制的能力，將對(duì)人類的生活產(chǎn)生極為巨大的影響。

從溫度、濕度、照明、運(yùn)動(dòng)到影像，各種想得到的傳感組件都已出現(xiàn)商業(yè)化的產(chǎn)品。利用這些傳感器建立起的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有監(jiān)控、追蹤和控制等基本功能，用得到的場(chǎng)合難以盡數(shù)，例如住宅監(jiān)控、對(duì)象追蹤、核反應(yīng)堆控制、火警偵測(cè)、交通流量監(jiān)控等等。ZigBee為這些應(yīng)用提供了極為理想的無線傳輸基礎(chǔ)，然而應(yīng)用上的落實(shí)還在起步階段。除了ZigBee之外，還有多項(xiàng)競(jìng)爭性的技術(shù)在發(fā)展中，例如強(qiáng)調(diào)比ZigBee更精簡的Z-wave，藍(lán)牙的精簡版Bluetooth Lite及互補(bǔ)的Wibree，其中Wibree由Nokia主導(dǎo)，強(qiáng)調(diào)能提供十倍于藍(lán)牙的效率，其輸出功率將只有-6dBm。這些技術(shù)的競(jìng)爭對(duì)于市場(chǎng)發(fā)展有良性的幫助，而且此應(yīng)用領(lǐng)域太廣了，不同的技術(shù)可能適合于特定的應(yīng)用領(lǐng)域。