一種新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)Zigbee

引言

　　對于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，往往需要相互間的通信，以交換測量數(shù)據(jù)和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包括點對點或總線方式，如RS485、 CAN、Modbus等。隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術(shù)便有了它的用武之地。

　　目前，市場上已有多家公司推出應(yīng)用于近距離通信的RF芯片產(chǎn)品，如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon)，工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式應(yīng)用也采用了這類技術(shù)，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（或采用自己的專用標(biāo)準(zhǔn)）來制定MAC層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計，由用戶自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網(wǎng)應(yīng)用更可能存在問題；不同廠家的產(chǎn)品不具備互操作能力，不具有通用性。

　　Zigbee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了 Zigbee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所作的測試和兼容性驗證。預(yù)計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會迅速得到普及和高速發(fā)展。

1  Zigbee技術(shù)及應(yīng)用

1.1  主要技術(shù)特點

　　Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含寓意。

　　Zigbee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API)由Zigbee聯(lián)盟進行了制定，整個協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

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圖1  Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)

　　Zigbee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備(也稱為協(xié)調(diào)器)，如圖2所示。

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圖2  片狀結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)

　　Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：

　　①  低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6~24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

　?、? 低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費。

　?、? 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

　?、?nbsp; 近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　　⑤  短時延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。

　?、? 高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

　?、?nbsp; 高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　?、?nbsp; 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

1.2  Zigbee產(chǎn)品應(yīng)用

　　Zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警），消費類電子設(shè)備的遙控裝置、PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

　　一般而言，滿足如下一些特點的應(yīng)用場合，是Zigbee應(yīng)用極具優(yōu)勢的地方：
　?、?nbsp; 需要無線通信交換信息的低成本裝置；
　?、? 數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?br />　?、? 功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；
　　④  需要多個（尤其是大量）設(shè)備組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，主要進行監(jiān)測和控制的場合。

　　依據(jù)Zigbee聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設(shè)想，產(chǎn)品應(yīng)提供一站式的解決方案，以方便應(yīng)用，使那些不熟悉RF技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內(nèi)置的協(xié)議棧將Zigbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作已完全由產(chǎn)品實現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進行應(yīng)用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡化，完成Zigbee協(xié)議的內(nèi)嵌處理器一般可采用低價低功耗的8位MCU。

　　Chipcon公司推出的高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128 KB閃存、8 KB RAM以及8051八位MCU核；另外還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗、32 kHz晶振休眠定時器、上電復(fù)位和掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。使這款產(chǎn)品就是一個具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。

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圖3  CC2430 Zigbee芯片

　　 此外，不少廠商也推出了Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案。如Freescale公司發(fā)布的低功耗2.45 GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并在一個配套的MCU上實現(xiàn)Zigbee的協(xié)議棧；傳輸速率為 250 kbps，采用正交QPSK調(diào)制和直接序列擴頻編碼，通過1個四線串行接口與MCU通信。Helicomm公司推出的IPLink 1200 Zigbee開發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75 m范圍內(nèi)提供250 kbps的速率；支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀或多次跳接(multihop)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達38.4 kbps。

　　可以看出，一些國際著名的半導(dǎo)體廠商已在積極推出Zigbee產(chǎn)品，有望在今后一段時間通過商業(yè)化推進，使Zigbee產(chǎn)品應(yīng)用得到極大擴展。但同時，也有一些RF廠商在發(fā)展自己的專有產(chǎn)品，如Zensys公司就積極推進它的ZWave無線協(xié)議，尤其在家庭自動化領(lǐng)域與其爭奪市場；另外， Dust公司堅持使用自己的技術(shù)；Ember公司雖然大舉進軍Zigbee領(lǐng)域，但也計劃繼續(xù)提供自己的專有EmberNet技術(shù)?？梢哉f，Zigbee 的應(yīng)用并非一片坦途，需要Zigbee聯(lián)盟及廠商的持續(xù)努力和市場的廣泛認(rèn)同。

2  與其他幾種無線通信技術(shù)的比較

　　目前，市場上的近距離無線通信技術(shù)主要有無線局域網(wǎng)WiFi、藍牙和一些專用標(biāo)準(zhǔn)（如Adhoc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開拓市場和應(yīng)用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如無線USB、超寬帶通信UWB和WiMax等。下面對這些技術(shù)作一些簡要介紹和比較。

　　藍牙技術(shù)發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個年頭，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應(yīng)用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領(lǐng)域，且互通性方面也存在問題。

　　WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領(lǐng)市場；采用IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4 GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mbps，并可根據(jù)信號強弱把傳輸率調(diào)整為5.5 Mbps、2 Mbps和1 Mbps帶寬；采用最新的802.11g時，速率可達54 Mbps，是目前應(yīng)用最廣的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

　　借助USB在PC上的廣泛應(yīng)用，無線USB也受Intel、HP、微軟等幾家PC領(lǐng)域大公司的力推，已于近期制定了無線USB規(guī)范。使用 WiMedia聯(lián)盟的MBOFDM超寬帶MAC和PHY層，通信距離在3~10 m，最高速率在480 Mbps，有望短期內(nèi)在PC周邊設(shè)備的無線連接上得到大量應(yīng)用。

　　UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術(shù)。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調(diào)制技術(shù)，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術(shù)陣營競爭技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)期的通信距離5~10 m，速率甚至可高達1 Gbps，非常適合于家用消費電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

　　作為WiFi下一代技術(shù)的WiMax，被設(shè)想成一項無線城域網(wǎng)接入技術(shù)，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70 Mbps，信號傳輸半徑可達到50 km。圖4是以上幾種無線通信技術(shù)的速率/距離比較。

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圖4  幾種無線通信技術(shù)速率和距離比較

　　 從圖4中看，主要的無線技術(shù)都集中在1 Mbps以上的速率，新的標(biāo)準(zhǔn)還在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術(shù)的空缺，與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎無交叉。在實際應(yīng)用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居自動化等諸多領(lǐng)域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現(xiàn)今的市場看，每一種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時間內(nèi)，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品在市場上共存。

結(jié)語

　　無線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、計算機應(yīng)用、家庭自動化等方面技術(shù)發(fā)展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令Zigbee應(yīng)運而生；高度集成化的軟、硬件架構(gòu)和產(chǎn)品，也使應(yīng)用人員如虎添翼，更快、更方便地進行最終產(chǎn)品設(shè)計。這些顯示出Zigbee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應(yīng)用前景十分看好，值得廣大嵌入式應(yīng)用的技術(shù)人員關(guān)注，并加入到它的應(yīng)用行列。