ZigBee技術

概述
“ZigBee”是什么?從字面上猜像是一種蜜蜂。因為“ZigBee”這個詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著“之”字形舞的蜜蜂。不過，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實上，它與藍牙類似是一種新興的短距離無線通信技術，國內也有人翻譯成“紫蜂”。下面就讓我們一起進入這只蜜蜂的世界，與蜂共舞吧!

這只蜜蜂的來頭還是要從它的歷史開始說起，早在上世紀末，就已經有人在考慮發(fā)展一種新的通信技術，用于傳感控制應用(sensor and control)，這個想法后來在IEEE 802.15工作組當中提出來，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規(guī)范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的規(guī)范只專注于底層，要達到產品的互操作和兼容，還需要定義高層的規(guī)范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”這個名詞。兩年之后，ZigBee的第一個規(guī)范ZigBee V1.0誕生，但這個規(guī)范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實用。此后ZigBee Alliance又經過兩年的努力，推出了新的規(guī)范ZigBee 2006，這是一個比較完善的規(guī)范。據(jù)聯(lián)盟最新的消息，今年年底將會發(fā)布更新版本的規(guī)范ZigBee 2007，這個版本增加了一些新的特性。

從ZigBee的發(fā)展歷史可以看到，它和IEEE 802.15.4有著密切的關系，事實上ZigBee的底層技術就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一種說法認為ZigBee和IEEE 802.15.4是同一個東西，或者說“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其實這是一種誤解。實際上ZigBee和IEEE 802.15.4的關系，有點類似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1?！癦igBee”可以看作是一個商標，也可以看作是一種技術，當把它看作一種技術的時候，它表示一種高層的技術，而物理層和MAC層直接引用IEEE 802.15.4。事物是不斷的發(fā)展變化的，尤其是通信技術，可以想象將來的ZigBee可能不會使用IEEE 802.15.4定義的底層，就跟藍牙(Bluetooth)宣布下一代底層采用UWB技術一樣，但是“ZigBee”這個商標以及高層的技術還會繼續(xù)保留。

ZigBee協(xié)議棧速讀
我們無法預料將來ZigBee會基于怎樣的底層技術，只好從它現(xiàn)在的底層——IEEE 802.15.4開始了解，IEEE 802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz, 2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區(qū)別，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發(fā)射機基帶部分的框圖(如圖1)，可以看到物理層部分非常簡單，而IEEE 802.15.4芯片的低價格正是得益于底層的簡單性?？赡芪覀儠乃男阅埽覀兛梢栽倏纯此虰luetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的情況下，IEEE 802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴頻技術具有一定的抗干擾效果，同時在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術。在發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內通常能達到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達到100m作用距離;同時調相技術的誤碼性能要優(yōu)于調頻和調幅技術。因此綜合起來，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數(shù)據(jù)速率并不高，對于2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無線通信技術。

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圖1 IEEE 802。15.4 物理層2.4GHz頻段發(fā)射機基帶框圖

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圖2 幾種無線通信技術性能比較

物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術，包括時分復用GTS技術和隨機接入信道技術CSMA/CA。不過ZigBee實際上并沒有對時分復用GTS技術進行相關的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網絡所有節(jié)點都工作在同一個信道上，因此如果鄰近的節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)就有可能發(fā)生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術，簡單來說，就是節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先監(jiān)聽信道，如果信道空閑則可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則就要進行隨機的退避，即延遲一段隨機時間，然后再進行監(jiān)聽，這個退避的時間是指數(shù)增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監(jiān)聽信道忙，則退避時間要增倍，這樣做的原因是如果多次監(jiān)聽信道都忙，有可能表明信道上的數(shù)據(jù)量大，因此讓節(jié)點等待更多的時間，避免繁忙的監(jiān)聽。通過這種信道接入技術，所有節(jié)點競爭共享同一個信道。在MAC層當中還規(guī)定了兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，另一種是非信標模式。信標模式當中規(guī)定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發(fā)送信標幀，里面含有一些時序以及網絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內各節(jié)點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節(jié)點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節(jié)點進入休眠狀態(tài)，等待下一個超幀周期的開始又發(fā)送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節(jié)點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發(fā)送信標幀。顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個網絡的所有節(jié)點都能進行同步，但這種同步網絡的規(guī)模不會很大。實際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。
　　
MAC層往上就屬于ZigBee真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協(xié)議棧(圖3)。底層技術，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網絡層、應用支持子層(APS)、應用框架(AF)、ZigBee設備對象(ZDO)和安全組件(SSP)，均由ZigBee Alliance所制定。
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圖3  ZigBee協(xié)議棧
　　
這些部分當中最下面的是網絡層。和其他技術一樣，ZigBee網絡層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網絡層主要支持兩種路由算法—樹路由和網狀網路由。樹路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協(xié)議棧規(guī)范。它把整個網絡看作是以協(xié)調器為根的一棵樹，因為整個網絡是由協(xié)調器所建立的，而協(xié)調器的子節(jié)點可以是路由器或者是末端節(jié)點，路由器的子節(jié)點也可以是路由器或者末端節(jié)點，而末端節(jié)點沒有子節(jié)點，相當于樹的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協(xié)調器相當于蜂后，是唯一的，而路由器相當于雄蜂，數(shù)目不多，末端節(jié)點則相當于數(shù)量最多的工蜂。其實有很多地方仔細一想，就可以發(fā)現(xiàn)ZigBee和蜂群的許多暗合之處。樹路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個參數(shù)—深度、最大深度、最大子節(jié)點數(shù)和最大子路由器數(shù)來計算新節(jié)點的地址，于是尋址的時候根據(jù)地址就能計算出路徑，而路由只有兩個方向—向子節(jié)點發(fā)送或者向父節(jié)點發(fā)送。樹狀路由不需要路由表，節(jié)省存儲資源，但缺點是很不靈活，浪費了大量的地址空間，并且路由效率低，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee當中還有一種路由方法是網狀網路由，這種方法實際上是AODV路由算法的一個簡化版本，非常適合于低成本的無線自組織網絡的路由。它可以用于較大規(guī)模的網絡，需要節(jié)點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee當中還可以進行鄰居表路由，其實鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過只需要一跳就可以發(fā)送到目的節(jié)點。

網絡層的上面是應用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規(guī)定了一些和應用相關的功能，包括端點(endpoint)的規(guī)定，還有綁定(binding)、服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)等等。其中端點是應用對象存在的地方，ZigBee允許多個應用同時位于一個節(jié)點上，例如一個節(jié)點具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發(fā)文本消息的功能，這種設計有利于復雜ZigBee設備的出現(xiàn)。而綁定是用于把兩個“互補的”應用聯(lián)系在一起，如開關應用和燈的應用。更通俗的理解，“綁定”可以說是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開關需要控制“燈”，但它一開始并不知道“燈”這個應用所在的設備地址，也不知道其端點號，于是它可以廣播一個消息，當“燈”接收到之后給出響應，于是開關就可以記錄下“燈”的通信信息，以后就可以根據(jù)記錄的通信信息去直接發(fā)送控制信息了。服務發(fā)現(xiàn)和設備發(fā)現(xiàn)是應用層需要提供的，ZigBee定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務可以進行描述，于是可以通過這些描述符來尋找合適的服務或者設備。
　　
ZigBee還提供了安全組件，采用了AES128的算法對網絡層和應用層的數(shù)據(jù)進行加密保護，另外還規(guī)定了信任中心(trust center)的角色—全網有一個信任中心，用于管理密鑰和管理設備，可以執(zhí)行設置的安全策略。
　　
ZigBee性能分析
上面對ZigBee協(xié)議棧作了一些介紹，要知道ZigBee能勝任什么工作，還需要作進一步的分析，主要有幾個方面：數(shù)據(jù)速率、可靠性、時延、能耗特性、組網和路由。
　　
ZigBee的數(shù)據(jù)速率比較低，在2.4GHz的頻段也只有250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳，真正能被應用所利用的速率可能不足100kb/s，并且這余下的速率也可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應用所瓜分。所以我們不能奢望ZigBee去做一些如傳輸視頻之類的高難度的事情，起碼目前是這樣，而應該聚焦于一些低速率的應用，比如人們早就給它找好的一個應用領域—傳感和控制。
　　
至于可靠性，ZigBee有很多方面進行保證，首先是物理層采用了擴頻技術，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC層和應用層(APS部分)有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節(jié)點發(fā)送之前先監(jiān)聽信道，也可以起到避開干擾的作用，網絡層采用了網狀網的組網方式(圖4)，從源節(jié)點到達目的節(jié)點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的健壯性，如果原先的路徑出現(xiàn)了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節(jié)點出現(xiàn)故障，ZigBee可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信(圖5、圖6)。據(jù)了解，在最新的ZigBee 2007協(xié)議棧規(guī)范當中，將會引入一個新的特性——頻率捷變(frequency agility)，這也是ZigBee加強其可靠性的一個重要特性。這個特性大致的意思是當ZigBee網絡受到外界干擾，比如Wi-Fi的干擾，無法正常工作時，整個網絡可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上。
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圖4  ZigBee可靠的網狀網組網方式
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圖5  ZigBee網絡受到外部干擾
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圖6  通過更換路徑避開干擾
　　
時延也是一個重要的考察因素。由于ZigBee采用隨機接入MAC層，并且不支持時分復用的信道接入方式，因此對于一些實時的業(yè)務并不能很好支持。而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時延變成一個不易確定的因素。
　　
能耗特性是ZigBee的一個技術優(yōu)勢。通常情況下，ZigBee節(jié)點所承載的應用數(shù)據(jù)速率都比較低，在不需要通信的時候，節(jié)點可以進入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時能耗可能只有正常工作狀態(tài)的千分之一。由于一般情況下休眠的時間占總運行時間的大部分，有時可能正常工作的時間還不到1%，因此達到很高的節(jié)能效果。在這種情況下，ZigBee的網絡有可能依靠普通的電池連續(xù)運轉一兩年。當然，ZigBee節(jié)點能夠方便的在休眠狀態(tài)和正常運行狀態(tài)之間靈活的切換，和它底層的特性是分不開的。ZigBee從休眠狀態(tài)轉換到活躍狀態(tài)一般只需要十幾毫秒，而且由于使用直接擴頻而不是跳頻技術，重新接入信道的時間也很快。
　　
最后是組網和路由特性，它們屬于網絡層的特性，ZigBee在這方面做得相當出色。首先是大規(guī)模的組網能力——ZigBee可以支持每個網絡多達六萬多個節(jié)點，相比之下，Bluetooth只支持每個網絡8個節(jié)點。這是因為ZigBee的底層采用了直擴技術，如果采用非信標模式，網絡可以擴展得很大，因為不需要同步。而且節(jié)點加入網絡和重新加入網絡的過程也很快，一般可以做到一秒以內甚至更快，而Bluetooth通常需要3s時間。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由，因此可以布設范圍很廣的網絡，并且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應用帶來有力的支撐。
　　
ZigBee應用淺談
上面介紹了ZigBee的一些技術優(yōu)勢，也談到了不足之處，目前有些說法把它跟其它他的無線技術，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等進行類比，說某種技術不如另一種，甚至說某種技術要取代另一種，這樣的說法是片面的。作為一種低速率的短距離無線通信技術，ZigBee有其自身的特點，因此應該有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術重疊。下面就來簡單看看ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護、傳感器網絡應用和電信應用。

智能家庭：家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點對點的控制，但如果使用了ZigBee技術，可以把這些電子電器設備都聯(lián)系起來，組成一個網絡，甚至可以通過網關連接到Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。
　　
工業(yè)控制：工廠環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網絡進行監(jiān)控，加強作業(yè)管理，降低成本。
　　
自動抄表：抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個月或每個季度可能都要統(tǒng)計一下讀數(shù)，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據(jù)讀數(shù)來收費?，F(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用于這個領域，利用傳感器把表的讀數(shù)轉化為數(shù)字信號，通過ZigBee網絡把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶，或者和節(jié)能相結合，當發(fā)現(xiàn)能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。
　　
醫(yī)療監(jiān)護：電子醫(yī)療監(jiān)護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監(jiān)測健康狀況，還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時對人的身體狀況進行監(jiān)測，一旦發(fā)生問題，可以及時做出反應，比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報警器，可以通過ZigBee技術組成一個監(jiān)測的網絡，由于是無線技術，傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護的人也可以比較自由的行動，非常方便。
　　
傳感器網絡應用：傳感器網絡也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測、環(huán)境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網絡要求節(jié)點低成本、低功耗，并且能夠自動組網、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網絡應用的一個很好的技術選擇。
　　
電信應用：在2006年初的時候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術的SIM卡，并命名為“ZSIM”[5]。其實這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯(lián)盟也在2007年4月發(fā)布新聞，說聯(lián)盟的成員在開發(fā)電信相關的應用[6]。如果ZigBee技術真得可以在電信領域開展起來，那么將來用戶就可以利用手機來進行移動支付，并且在熱點地區(qū)可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶也可以通過定位服務獲知自己的位置。雖然現(xiàn)在的GPS定位服務已經做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。
　　
結語
ZigBee為我們描繪了一個美好的未來，或許這些場景里我們不會太遙遠了，讓我們拭目以待，這只蜜蜂將會給我們的工作和生活帶來怎樣的變化。