2、ZigBee技術(shù)的特點

自從馬可尼發(fā)明無線電以來,，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展,。例如：廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)（3G）目的在于提供多媒體無線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率,。而當(dāng)前得到廣泛研究的ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價的固定,、便攜或者移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度,、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：

功耗低：工作模式情況下,，ZigBee技術(shù)傳輸速率低,，傳輸數(shù)據(jù)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。設(shè)備搜索時延一般為30ms,，休眠激活時延為15ms,，活動設(shè)備信道接入時延為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節(jié)點非常省電，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(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化,。對于典型應(yīng)用,，堿性電池可以使用數(shù)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1%的情況,，電池的壽命甚至可以超過10年,。

數(shù)據(jù)傳輸可靠：ZigBee的媒體接入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下,，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送,，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復(fù),，若沒有得到確認信息的回復(fù)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?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c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）,。對全功能器件,，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件,，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù),。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作,，分別為：個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器,、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話,，僅用于非常簡單的應(yīng)用,。一個ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控（Master）設(shè)備,，其余則是從屬（Slave）設(shè)備,。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點,，再加上各個Network Coordinator可互相連接,，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。

兼容性：ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成,。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動建立網(wǎng)絡(luò),，采用載波偵聽/沖突檢測（CSMA-CA）方式進行信道接入。為了可靠傳遞,，還提供全握手協(xié)議,。

安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)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(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護,，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù),。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù),，在這一級不采取加密措施,。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件,。

實現(xiàn)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(xié)議免專利費用,。目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元,。而ZigBee的價格目標(biāo)僅為幾美分。

3,、ZigBee協(xié)議框架

Zigbee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng),、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),。與其他無線標(biāo)準(zhǔn)如802.11或802.16不同，Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數(shù)據(jù)流量,。ZigBee V1.0版本的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)連同燈光控制設(shè)備描述已于2004年底推出,，其它應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)設(shè)備的描述也會在隨后的時間里陸續(xù)發(fā)布。如圖1所示,。

 
圖1　ZigBee協(xié)議框架

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制訂方面,，主要是IEEE 802.15.4小組與ZigBee Alliance兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標(biāo)準(zhǔn),，兩者的角色分工就如同IEEE 802.11小組與Wi-Fi之關(guān)系,。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組,，負責(zé)制訂MAC與PHY（物理層）規(guī)范,，在2003年5月通過802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，802.15.4任務(wù)小組目前在著手制訂802.15.4b標(biāo)準(zhǔn),，此標(biāo)準(zhǔn)主要是加強802.15.4標(biāo)準(zhǔn),，包括：解決標(biāo)準(zhǔn)有爭議的地方、降低復(fù)雜度,、提高適應(yīng)性并考慮新頻段的分配等,。ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要,。802.15.4僅僅定義了實體層和介質(zhì)訪問層,，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對話，于是便有了ZigBee聯(lián)盟,。

ZigBee兼容的產(chǎn)品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其頻段是免費開放的,，分別為2.4GHz（全球）,、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16個信道）,、在915MHz提供40kbit/s（10個信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1個信道）的傳輸速率,。傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，介于10m到100m之間,，一般是30m左右,。由于ZigBee使用的是開放頻段，已有多種無線通訊技術(shù)使用,。因此為避免被干擾,，各個頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。同時,，PHY的直接序列擴頻技術(shù)允許設(shè)備無需閉環(huán)同步,。

在這3個不同頻段,，都采用相位調(diào)制技術(shù)，2.4GHz采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)以達到250kbit/s的速率,，并降低工作時間,，以減少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面,，則采用BPSK的調(diào)制技術(shù),。相比較2.4GHz頻段，900MHz頻段為低頻頻段,，無線傳播的損失較少,，傳輸距離較長，其次此頻段過去主要是室內(nèi)無繩電話使用的頻段,，現(xiàn)在因室內(nèi)無繩電話轉(zhuǎn)到2.4GHz,，干擾反而比較少。

在MAC層上,，主要沿用WLAN中802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式,，以提高系統(tǒng)兼容性，所謂的CSMA/CA是在傳輸之前,，會先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸,，若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進行數(shù)據(jù)傳輸,，若產(chǎn)生碰撞,，則稍后一段時間重傳。

在網(wǎng)絡(luò)層方面,，ZigBee聯(lián)盟制訂可以采用星形和網(wǎng)狀拓撲,，也允許兩者的組合，稱為叢集樹狀,。根據(jù)節(jié)點的不同角色,，可分為全功能設(shè)備（Full-Function Device；FFD）與精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device,；RFD）,。相較于FFD，RFD的電路較為簡單且存儲體容量較小,。FFD的節(jié)點具備控制器（Controller）的功能,，能夠提供數(shù)據(jù)交換，而RFD則只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù),。

ZigBee協(xié)議套件緊湊且簡單,，具體實現(xiàn)的硬件需求很低，8位微處理器80c51即可滿足要求，全功能協(xié)議軟件需要32K字節(jié)的ROM,，最小功能協(xié)議軟件需求大約4K字節(jié)的ROM,。

圖2　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)

4 基于ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

　　隨著ZigBee規(guī)范的進一步完善，許多公司均在著手開發(fā)基于ZigBee的產(chǎn)品,。采用ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域有家庭自動化,、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境控制與醫(yī)療護理,、檢測環(huán)境,、監(jiān)測、監(jiān)察保鮮食品的運輸過程及保質(zhì)情況等等,。其典型應(yīng)用領(lǐng)域如下：

4.1 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,、門禁系統(tǒng),、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊,，則人們要開燈,，就不需要走到墻壁開關(guān)處，直接通過遙控便可開燈,。當(dāng)你打開電視機時,，燈光會自動減弱;當(dāng)電話鈴響起時或你拿起話機準(zhǔn)備打電話時，電視機會自動靜音,。通過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，或是通過遙控達到遠程控制的目的,，提供家居生活自動化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化,。韓國第三大移動手持設(shè)備制造商Curitel Communications公司已經(jīng)開始研制世界上第一款Zigbee手機,，該手機將可通過無線的方式將家中或是辦公室內(nèi)的個人電腦、家用設(shè)備和電動開關(guān)連接起來,。這種手機融入了“Zigbee”技術(shù),，能夠使手機用戶在短距離內(nèi)操縱電動開關(guān)和控制其他電子設(shè)備。

4.2 工業(yè)領(lǐng)域

　　通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動收集各種信息,，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析,，以利工廠整體信息之掌握,，例如火警的感測和通知，照明系統(tǒng)之感測,，生產(chǎn)機臺之流程控制等,，都可由ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的,。韓國的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平臺上成功研發(fā)出基于ZigBee技術(shù)的自動抄表系統(tǒng),。該系統(tǒng)無需手動讀取電表、天然氣表及水表,，從而為公用事業(yè)企業(yè)節(jié)省數(shù)百萬美元,，此項技術(shù)正在進行前期測試，很快將在美國市場上推出,。

4.3 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,?；赯igBee技術(shù)的系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)交通流量動態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈,，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等,。

5 ZigBee技術(shù)及與Wi-Fi的區(qū)別