一、引言

近年來，各種無線通信技術迅猛發(fā)展，極大提高了人們的工作效率和生活質量。然而，在日常生活中，我們仍然被各種電纜所束縛，能否在近距離范圍內實現(xiàn)各種設備之間的無線通信?縱觀目前發(fā)展較成熟的幾大無線通信技術，往往比較復雜，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。本文介紹了一種復雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術——ZigBee。該技術主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡而提出，它能夠滿足小型化、低成本設備(如溫度調節(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，能廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)和日常生活中。

二、ZigBee技術的特點及應用

ZigBee技術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的基礎上定義了網(wǎng)絡層和應用層。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)學等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和QoS(服務質量)要求不高的無線通信應用場合。

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。設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為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，以及安裝在廚房內的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內獲取信息并傳輸給網(wǎng)絡控制者，從而阻止火災的發(fā)生。

傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯?，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)務預留了專用時隙，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、低成本的技術優(yōu)勢，適合的應用領域主要有：

家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調、窗簾等家具設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：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)議棧結構(圖1)是基于標準OSI七層模型的，包括高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網(wǎng)絡層、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。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。應用匯聚層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上，主要包括安全與鑒權、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)。

四、ZigBee網(wǎng)絡配置

低數(shù)據(jù)速率的WPAN中包括兩種無線設備：全功能設備(FFD)和精簡功能設備(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的應用相對簡單，例如在傳感器網(wǎng)絡中，它們只負責將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調點，并不具備數(shù)據(jù)轉發(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)絡中，至少存在一個FFD充當整個網(wǎng)絡的協(xié)調點，即PAN協(xié)調點，ZigBee中也稱作ZigBee協(xié)調點。一個ZigBee 網(wǎng)絡只有一個PAN協(xié)調點。通常，PAN協(xié)調點是一個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網(wǎng)絡的主要控制者，它負責建立新的網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡信息等。FFD和RFD都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間(POS)中充當協(xié)調點，但它仍然受PAN協(xié)調點的控制。ZigBee中每個協(xié)調點最多可連接255個節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡最多可容納65535個節(jié)點。五、ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構

ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結構主要有三種，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)和混合網(wǎng)。

星型網(wǎng)(圖2-a)是由一個PAN協(xié)調點和一個或多個終端節(jié)點組成的。PAN協(xié)調點必須是FFD，它負責發(fā)起建立和管理整個網(wǎng)絡，其它的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD，分布在PAN協(xié)調點的覆蓋范圍內，直接與PAN協(xié)調點進行通信。星型網(wǎng)通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。

Mesh網(wǎng)(圖2-b)一般是由若干個FFD連接在一起形成，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內的其它節(jié)點通信。Mesh網(wǎng)中，一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡的FFD節(jié)點作為PAN協(xié)調點。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇。

圖2 ZigBee拓撲結構

Mesh網(wǎng)可以通過FFD擴展網(wǎng)絡，組成Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構成的混合網(wǎng)(圖2-C)。混合網(wǎng)中，終端節(jié)點采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內的協(xié)調點，再通過網(wǎng)關節(jié)點上傳到上一層網(wǎng)絡的PAN協(xié)調點?；旌暇W(wǎng)都適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡。

六、ZigBee組網(wǎng)技術

ZigBee中，只有PAN協(xié)調點可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡。當ZigBeePAN協(xié)調點希望建立一個新網(wǎng)絡時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調點會為新網(wǎng)絡選擇一個PAN標識符(PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是唯一的)。一旦選定了PAN標識符，就說明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡，此后，如果另一個ZigBee協(xié)調點掃描該信道，這個網(wǎng)絡的協(xié)調點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調點還會為自己選擇一個16bit網(wǎng)絡地址。ZigBee網(wǎng)絡中的所有節(jié)點都有一個 64bitIEEE擴展地址和一個16 bit網(wǎng)絡地址，其中，16bit的網(wǎng)絡地址在整個網(wǎng)絡中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。

ZigBee協(xié)調點選定了網(wǎng)絡地址后，就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡。當一個節(jié)點希望加入該網(wǎng)絡時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網(wǎng)絡，如果找到了一個網(wǎng)絡，它就會進行關聯(lián)過程加入網(wǎng)絡，只有具備路由功能的節(jié)點可以允許別的節(jié)點通過它關聯(lián)網(wǎng)絡。如果網(wǎng)絡中的一個節(jié)點與網(wǎng)絡失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡，它可以進行孤立通知過程重新加入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中每個具備路由器功能的節(jié)點都維護一個路由表和一個路由發(fā)現(xiàn)表，它可以參與數(shù)據(jù)包的轉發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，以及關聯(lián)其它節(jié)點來擴展網(wǎng)絡。

ZigBee網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為三類：周期性數(shù)據(jù)，例如傳感器網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應用而確定;間歇性數(shù)據(jù)，例如電燈開關傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應用或者外部激勵而確定;反復性的、反應時間低的數(shù)據(jù)，例如無線鼠標傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率是根據(jù)時隙分配而確定的。為了降低ZigBee節(jié)點的平均功耗，ZigBee節(jié)點有激活和睡眠兩種狀態(tài)，只有當兩個節(jié)點都處于激活狀態(tài)才能完成數(shù)據(jù)的傳輸。在有信標的網(wǎng)絡中，ZigBee協(xié)調點通過定期地廣播信標為網(wǎng)絡中的節(jié)點提供同步;在無信標的網(wǎng)絡中，終端節(jié)點定期睡眠，定期醒來，除終端節(jié)點以外的節(jié)點要保證始終處于激活狀態(tài)，終端節(jié)點醒來后會主動詢問它的協(xié)調點是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給它。在ZigBee網(wǎng)絡中，協(xié)調點負責緩存要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點的數(shù)據(jù)包。

七、結束語

ZigBee技術還在不斷完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術優(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應用前景。ZigBee聯(lián)盟預言在未來的四到五年內，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150個。相信在不久的將來，基于ZigBee技術的產(chǎn)品會走進全球每家每戶，在提高我們的生活質量方面作出突出的貢獻。