ZIGBEE技術(shù)與應(yīng)用

一、引言

隨著人們對(duì)低速率無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)的應(yīng)用需求越來(lái)越大，ZigBee技術(shù)在近年來(lái)得到了快速的發(fā)展。由于ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、低速率、近距離和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，其主要適合用于工業(yè)自動(dòng)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)。

二、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)，或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。

ZigBee讀寫器是短距離、多點(diǎn)、多跳無(wú)線通信產(chǎn)品，能夠簡(jiǎn)單、快速地為串口終端設(shè)備增加無(wú)線通信的能力。產(chǎn)品有效識(shí)別距離可達(dá)1500m，最高識(shí)別速度可達(dá)200千米/小時(shí)，同時(shí)識(shí)別200張標(biāo)簽，性能穩(wěn)定、工作可靠、信號(hào)傳輸能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。

三、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

（1）超越藍(lán)牙的簡(jiǎn)單實(shí)用

1999年，藍(lán)牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價(jià)格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問(wèn)題的困擾。低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求令ZigBee應(yīng)運(yùn)而生，大幅簡(jiǎn)化藍(lán)牙的復(fù)雜規(guī)格，專注于低傳輸應(yīng)用，不過(guò)相關(guān)規(guī)格已與現(xiàn)有的藍(lán)牙脫鉤。于是有媒體甚至預(yù)言：ZigBee和UWB（Ultra-WideBand，超寬頻道）切入市場(chǎng)可能使藍(lán)牙尚未普及即成歷史。這種論調(diào)顯然言過(guò)其實(shí)，因?yàn)閆igBee不支持語(yǔ)音，但ZigBee的低價(jià)格、低功耗和可靠支持成為其閃亮登場(chǎng)的亮點(diǎn)，使得它超越藍(lán)牙的簡(jiǎn)單實(shí)用成為事實(shí)。

（2）ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

⊙數(shù)據(jù)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(yīng)用。

⊙功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2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(dú)特優(yōu)勢(shì)。

⊙成本低：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本，且ZigBee協(xié)議免收專利費(fèi)。⊙網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備，也就是說(shuō)，每個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254臺(tái)設(shè)備相連接。

⊙時(shí)延短：通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。

⊙安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性。

⊙有效范圍?。河行Ц采w范圍10～75米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境?！压ぷ黝l段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz；868MHz（歐洲）及915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。

隨著研究的進(jìn)一步深入，傳感器將變得更小，而且功能會(huì)越來(lái)越多。最終，他們可能會(huì)微縮到塵埃大小。屆時(shí)，數(shù)以千計(jì)的微小傳感器或者稱為“智能塵?！睂⒈会尫诺酱髿庵衼?lái)檢測(cè)任何東西。

四、ZigBee協(xié)議

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的高效性及標(biāo)準(zhǔn)化的需求日益增長(zhǎng)，Zigbee協(xié)議作為一種支持低速率、低功耗、安全可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用而生。它是目前遠(yuǎn)程監(jiān)控傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域惟一的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，還處于不斷成長(zhǎng)與發(fā)展中，但已顯示出強(qiáng)大的生命力。

1. ZigBee堆棧層

每個(gè)ZigBee設(shè)備都與一個(gè)特定模板有關(guān)，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境、設(shè)備類型以及用于設(shè)備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應(yīng)商的設(shè)備在相同應(yīng)用領(lǐng)域中的互操作性。設(shè)備是由模板定義的，并以應(yīng)用對(duì)象（Application Objects）的形式實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖1）。

每個(gè)應(yīng)用對(duì)象通過(guò)一個(gè)端點(diǎn)連接到ZigBee堆棧的余下部分，它們都是器件中可尋址的組件。從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接（例如，一個(gè)帶開(kāi)關(guān)組件的設(shè)備與帶一個(gè)或多個(gè)燈組件的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信，目的是將這些燈點(diǎn)亮）。端點(diǎn)之間的通信是通過(guò)稱之為簇的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。這些簇是應(yīng)用對(duì)象之間共享信息所需的全部屬性的容器，在特殊應(yīng)用中使用的簇在模板中有定義。

圖2就是設(shè)備及其接口的一個(gè)例子：每個(gè)接口都能接收（用于輸入）或發(fā)送（用于輸出）簇格式的數(shù)據(jù)。一共有二個(gè)特殊的端點(diǎn)，即端點(diǎn)0和端點(diǎn)255。端點(diǎn)0用于整個(gè)ZigBee設(shè)備的配置和管理；應(yīng)用程序可以通過(guò)端點(diǎn)0與ZigBee堆棧的其他層通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這些層的初始化和配置；附屬在端點(diǎn)0的對(duì)象被稱為ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZD0）；端點(diǎn)255用于向所有端點(diǎn)的廣播；端點(diǎn)241到254是保留端點(diǎn)。

所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層（APS）提供的服務(wù)。APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備，比如帶燈的開(kāi)關(guān)。

APS使用網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。應(yīng)用層可以通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZD0）對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪問(wèn)。

2. 802.15.4 MAC層

IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速率無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)（LRWPAN）定義了OSI模型開(kāi)始的兩層。PHY層定義了無(wú)線射頻應(yīng)該具備的特征，它支持二種不同的射頻信號(hào)，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻可以提供250kb/s的數(shù)據(jù)速率和16個(gè)不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1個(gè)數(shù)據(jù)速率為20kb/s的信道，915MHz支持10個(gè)數(shù)據(jù)速率為40kb/s的信道。MAC層負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信，它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全：它能提供二個(gè)設(shè)備之間的可靠鏈接。

3. 關(guān)于服務(wù)接入點(diǎn)

ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)；管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。

4. ZigBee的安全性

安全機(jī)制由安全服務(wù)提供層提供。然而值得注意的是，系統(tǒng)的整體安全性是在模板級(jí)定義的，這意味著模板應(yīng)該定義某一特定網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)該實(shí)現(xiàn)何種類型的安全。每一層（MAC、網(wǎng)絡(luò)或應(yīng)用層）都能被保護(hù)，為了降低存儲(chǔ)要求，它們可以分享安全鑰匙。SSP是通過(guò)ZD0進(jìn)行初始化和配置的，要求實(shí)現(xiàn)高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。ZigBee規(guī)范定義了信任中心的用途，信任中心是在網(wǎng)絡(luò)中分配安全鑰匙的一種令人信任的設(shè)備。

5. ZigBee堆棧容量和ZigBee設(shè)備

根據(jù)ZigBee堆棧規(guī)定的所有功能和支持，我們很容易推測(cè)ZigBee堆棧實(shí)現(xiàn)需要用到設(shè)備中的大量存儲(chǔ)器資源。不過(guò)ZigBee規(guī)范定義了三種類型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求：ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器，ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。ZigBee端終設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與其通信的設(shè)備。它的存儲(chǔ)器容量要求最少。然而需要特別注意的是，網(wǎng)絡(luò)的特定架構(gòu)會(huì)戲劇性地影響設(shè)備所需的資源。網(wǎng)絡(luò)層支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?、?shù)型和網(wǎng)格型。在這幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，星型網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。

五、ZigBee應(yīng)用

隨著ZigBee規(guī)范的進(jìn)一步完善，許多公司均在著手開(kāi)發(fā)基于ZigBee的產(chǎn)品。采用ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域有家庭自動(dòng)化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境控制與醫(yī)療護(hù)理、檢測(cè)環(huán)境、監(jiān)測(cè)、監(jiān)察保鮮食品的運(yùn)輸過(guò)程及保質(zhì)情況等等。其典型應(yīng)用領(lǐng)域如下：

1. 數(shù)字家庭領(lǐng)域

可以應(yīng)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(jī)、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品等。例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開(kāi)燈，就不需要走到墻壁開(kāi)關(guān)處，直接通過(guò)遙控便可開(kāi)燈。當(dāng)你打開(kāi)電視機(jī)時(shí)，燈光會(huì)自動(dòng)減弱；當(dāng)電話鈴響起時(shí)或你拿起話機(jī)準(zhǔn)備打電話時(shí)，電視機(jī)會(huì)自動(dòng)靜音。通過(guò)ZigBee終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備，或是通過(guò)遙控達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，提供家居生活自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。

2. 工業(yè)領(lǐng)域

通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)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(cè)和通知，照明系統(tǒng)之感測(cè)，生產(chǎn)機(jī)臺(tái)之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達(dá)到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。韓國(guó)的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平臺(tái)上成功研發(fā)出基于ZigBee技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需手動(dòng)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(wàn)美元，此項(xiàng)技術(shù)正在進(jìn)行前期測(cè)試，很快將在美國(guó)市場(chǎng)上推出。

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(shè)備，你就不再擔(dān)心會(huì)迷路。安裝在汽車?yán)锏钠骷⒏嬖V你，你當(dāng)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(wù)，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(nèi)或隧道內(nèi)，你仍能繼續(xù)使用此系統(tǒng)。從ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(shí)地趕上下一班車，而不至于在寒風(fēng)中或烈日下在車站等上數(shù)十分鐘。基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)還可以開(kāi)發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)交通流量動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。

六、結(jié)束語(yǔ)

為了推動(dòng)ZigBee技術(shù)的發(fā)展，Chipcon（已被TI收購(gòu)）與Ember，F(xiàn)reescale，Honeywell，Mistubishi，Motorola，Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance），目前該聯(lián)盟已經(jīng)包含130多家會(huì)員。該聯(lián)盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月親自造訪我國(guó)，以免專利費(fèi)的方式吸引中國(guó)本地企業(yè)加入。據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，低功耗、低成本的ZigBee技術(shù)將在未來(lái)得到快速增長(zhǎng)。

ZigBee技術(shù)在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4的推動(dòng)下，結(jié)合其他無(wú)線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，在未來(lái)其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。由于各方面的制約，ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日，但已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。

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