ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討

0 引言

工業(yè)領(lǐng)域在現(xiàn)代化的進(jìn)程中通過引入各種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的下降。在這些技術(shù)中，最典型的就是數(shù)字化技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控早已突破了單回路控制與監(jiān)視的功能。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)整合水平的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)接口的開放性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、數(shù)據(jù)連接的安全性等方面提出了更高的要求。許多大型企業(yè)其生產(chǎn)地域分散，業(yè)務(wù)分工復(fù)雜，往往設(shè)有一個或者多個控制中心，以及大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。這些采集點(diǎn)因分散而需要通過一定的通信手段來實(shí)現(xiàn)與中心控制單元間的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。由于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)本身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)支持仍然是個難題。比如在某些工業(yè)現(xiàn)場，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器或其它無線電控制設(shè)備的干擾，更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根本無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)信息。而無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無個人網(wǎng)技術(shù)卻能有效地提供對這些問題的解決方案。在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展條件下，無線標(biāo)準(zhǔn)增加了靈活性，并降低了集成專利無線通信的風(fēng)險(xiǎn)。在工控場合的應(yīng)用條件下，短距離的無線傳輸尤其受到矚目。在最近的幾年中，人們不斷探索，形成了當(dāng)今令人眼花繚亂的無線通信協(xié)議和產(chǎn)品。最流行的短距離無線數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙（ Bluetooth ）、Wi-Fi（IEEE802.11）、IrDA 以及極具發(fā)展?jié)摿?、已被眾多業(yè)界認(rèn)可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。

1 幾種無線傳輸技術(shù)及其比較

1 .1 藍(lán)牙（BlueTooth）

藍(lán)牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994 年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無線模塊。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。

它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。Bluetooth 列入了IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB 系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth 對每個“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7 個節(jié)點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。

1 .2 Wi-Fi（IEEE802 .11）

Wi-Fi（Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。IEEE802 . 11 的最初規(guī)范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率也是2.4GHz。目前，IEEE802 .11 標(biāo)準(zhǔn)還沒有被工業(yè)界廣泛接受。

IEEE802 .11 流行的幾個版本包括“a”（在5.8GHz 波段帶寬為54MBps）、“b”（波段2.4GHz 帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz 帶寬為22MBps）。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺增加了困難。Wi-Fi 規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/ IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)等，因此大多數(shù)便攜Wi-Fi 裝置都需要常規(guī)充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場合的推廣和應(yīng)用。

1 .3 IrDA

紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993 年。IrDA 是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信的技術(shù)。IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbps 逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動設(shè)備（如PDA、手機(jī)）上被廣泛使用。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用成本低廉的特點(diǎn)。IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在2 臺設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。

1 .4 ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。另外，它可與254 個節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動化應(yīng)用設(shè)備。它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較見表1。

2 ZigBee 的技術(shù)內(nèi)容及特點(diǎn)

ZigBee 是最新確定的商業(yè)名稱，在以前曾被發(fā)起者以“HomeRF lite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求，2000 年12 月IEEE 成立了IEEE802.15.4 工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動設(shè)備使用，且復(fù)雜度、成本和功耗均很低的低速率無線連接技術(shù)。

ZigBee 聯(lián)盟成立于2001 年8 月。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP 服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及OEM 商等，例如Honeywell、Eaton 和Invensys MeteringSystems 等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像Mattel 之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee 物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4 工作組。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，對于無線網(wǎng)絡(luò)的要求與民用場合有很大區(qū)別。它通常對數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，簡單方便、可以隨意使用的無線裝置大量涌現(xiàn)，需要布置大量的無線接入點(diǎn)，而低廉的價(jià)格將起著關(guān)鍵作用。所以ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)要解決的問題是設(shè)計(jì)一個維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無線收發(fā)信機(jī)。要考慮的核心問題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì)，這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。

2 .1 ZigBee 的特點(diǎn)

① 低功耗：由于ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設(shè)備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以維持長達(dá)6 個月到2 年左右的使用時間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

② 成本低：ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5 ～ 2.5 美元，并且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee 也是一個關(guān)鍵的因素。

③ 時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用。

④ 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

⑤ 可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

⑥ 安全：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES - 128 的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2 .2 ZigBee 與IEEE802.15.4 的聯(lián)系

人們常會把ZigBee 和IEEE802.15.4 等同起來，其實(shí)兩者之間還是有所區(qū)別的：

① ZigBee 完整、充分地利用了IEEE802.15.4 定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)；

② ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件；

③ ZigBee 基于IEEE802.15.4 射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時Zig-Bee 聯(lián)盟通過與IEEE 緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；

④ 802.15.4 工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。

圖1 示意了ZigBee 的結(jié)構(gòu)和分工。

2 .3 802.15.4 協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)

IEEE802.15.4 滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式，定義了單一的MAC 層和多樣的物理層。ZigBee 聯(lián)盟制定了MAC 層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

2 .3 .1 物理層

IEEE802.15.4 提供了圖2 所示的兩種物理層的選擇（868 / 915MHz 和2.4GHz），物理層與MAC 層的協(xié)作擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，降低了數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結(jié)構(gòu)，以便低作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。

圖2 兩種不同的物理層 


 
2.4G 物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps，868 / 915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸率分別是20kbps、40kbps。2.4GHz物理層的較高速率主要?dú)w因于基于DSSS 方法（16 個狀態(tài)）的準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。來自物理層收斂協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次（按字節(jié)從低到高）組成4 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號，每種數(shù)據(jù)符號（對應(yīng)16 狀態(tài)組中的一組）被映射成32 位偽噪音碼片，以便傳輸。然后采用最小移位鍵控方式MSKI 對這個連續(xù)的偽噪音碼片序列進(jìn)行調(diào)制，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控（O - QPSK）方式調(diào)制。868 / 915MHz 物理層使用簡單DSSS 方法，每個PPDU 數(shù)據(jù)傳輸位被最大長為15 的碼片序列（m- 序列）所擴(kuò)展。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場合，如868 / 915MHz 物理層的低速率換取了較好的靈敏度（ - 85dbm/ 2.4G，- 92dbm/ 868，915MHz）和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)；而2.4G 物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時或低作業(yè)周期的場合。

2 .3 .2 介質(zhì)訪問層

ZigBeeMAC 層的設(shè)計(jì)需要考慮到降低成本、容易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作及非常低的功耗等要求，為此采用了如下所示的簡單且靈活的協(xié)議：

① 采用IEEE 標(biāo)準(zhǔn)64 - bit 和16 - bit 短地址；

② 基本網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到254 節(jié)點(diǎn)；

③ 可以配置使用大于65，000（216）節(jié)點(diǎn)的本地簡單網(wǎng)絡(luò)，而且開銷不大；

④ 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（FFD）和簡化功能設(shè)備（RFD）等3 種指定設(shè)備；

⑤ 簡化幀結(jié)構(gòu)；

⑥ 可靠的數(shù)據(jù)傳輸；

⑦ 聯(lián)合/ 分離；

⑧ AES - 128 安全機(jī)制；

⑨ CSMA - CA 通道；

⑩ 可選的使用信標(biāo)的超級幀結(jié)構(gòu)。

IEEE802.15.4MAC 子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC 命令幀等4 種幀類型。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和MAC 命令幀則用于ZigBee 設(shè)備間MAC 子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，而數(shù)據(jù)幀和MAC 命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過了CRC 校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動重傳該幀。這就是MAC 子層可靠傳輸?shù)幕具^程。MAC 層的通用幀格式如圖3 所示。 


 
2 .3 .3 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。802.2 標(biāo)準(zhǔn)定義了LLC，并且通用于諸如802.3、802.11 及802.15.1 等ZigBee 無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討周怡窹，等802 系列標(biāo)準(zhǔn)中，而MAC 子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同物理層的實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務(wù)。 


 
IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)草案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括圖4 所示的新型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh）。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等要求低延遲等待接入的應(yīng)用一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而其它一些應(yīng)用，如周邊安全等可能要求大面積網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。多址的形式包括IEEE 標(biāo)準(zhǔn)64 位和短地址8 位。

3 結(jié)束語

ZigBee 是一個針對傳感器網(wǎng)絡(luò)、建筑自動化等應(yīng)用的短距離無線技術(shù)規(guī)范。ZigBee 是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為滿足小型、廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。它按高度省電要求設(shè)計(jì)，因此低功耗和較低數(shù)據(jù)傳輸率意味著不會和Wi - Fi 等其它無線技術(shù)競爭，而是作為傳感路網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的性價(jià)比較高的方案。業(yè)界對它在上述領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展充滿信心。