基于ZigBee的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

一、引言

近年來，各種無線通信技術(shù)迅猛發(fā)展，極大提高了人們的工作效率和生活質(zhì)量。然而，在日常生活中，我們?nèi)匀槐桓鞣N電纜所束縛，能否在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)各種設(shè)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(shù)，往往比較復(fù)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(shù)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(fù)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(luò)。本文介紹了一種復(fù)雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術(shù)——ZigBee。該技術(shù)主要針對低速率傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出，它能夠滿足小型化、低成本設(shè)備(如溫度調(diào)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(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和日常生活中。

二、ZigBee技術(shù)的特點及應(yīng)用

ZigBee技術(shù)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(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)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(shè)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(xué)等需要低功耗、低成本、對數(shù)據(jù)速率和QoS(服務(wù)質(zhì)量)要求不高的無線通信應(yīng)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(fù)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(shè)備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)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(yīng)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(nèi)的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內(nèi)獲取信息并傳輸給網(wǎng)絡(luò)控制者，從而阻止火災(zāi)的發(fā)生。

傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯拢琙igBee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(wù)預(yù)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(shù)優(yōu)勢，適合的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：

家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調(diào)、窗簾等家具設(shè)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(shè)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(shè)：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(luò)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(shè)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(jié)構(gòu)(圖1)是基于標準OSI七層模型的，包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)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(shù)。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(diào)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(diào)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(yīng)用匯聚層主要負責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置

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

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)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(diào)點和一個或多個終端節(jié)點組成的。PAN協(xié)調(diào)點必須是FFD，它負責(zé)發(fā)起建立和管理整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(終端節(jié)點)一般為RFD，分布在PAN協(xié)調(diào)點的覆蓋范圍內(nèi)，直接與PAN協(xié)調(diào)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(nèi)的其它節(jié)點通信。Mesh網(wǎng)中，一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的FFD節(jié)點作為PAN協(xié)調(diào)點。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”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(jié)構(gòu)

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

六、ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee中，只有PAN協(xié)調(diào)點可以建立一個新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBeePAN協(xié)調(diào)點希望建立一個新網(wǎng)絡(luò)時，首先掃描信道，尋找網(wǎng)絡(luò)中的一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡(luò)。如果找到了合適的信道，ZigBee協(xié)調(diào)點會為新網(wǎng)絡(luò)選擇一個PAN標識符(PAN標識符是用來標識整個網(wǎng)絡(luò)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(luò)，此后，如果另一個ZigBee協(xié)調(diào)點掃描該信道，這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)點就會響應(yīng)并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協(xié)調(diào)點還會為自己選擇一個16bit網(wǎng)絡(luò)地址。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都有一個 64bitIEEE擴展地址和一個16 bit網(wǎng)絡(luò)地址，其中，16bit的網(wǎng)絡(luò)地址在整個網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。

ZigBee協(xié)調(diào)點選定了網(wǎng)絡(luò)地址后，就開始接受新的節(jié)點加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個節(jié)點希望加入該網(wǎng)絡(luò)時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò)，如果找到了一個網(wǎng)絡(luò)，它就會進行關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)，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(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò)，它可以進行孤立通知過程重新加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，以及關(guān)聯(lián)其它節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用而確定;間歇性數(shù)據(jù)，例如電燈開關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或者外部激勵而確定;反復(fù)性的、反應(yīng)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(dāng)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(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)點通過定期地廣播信標為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點提供同步;在無信標的網(wǎng)絡(luò)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(diào)點是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給它。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)點負責(zé)緩存要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點的數(shù)據(jù)包。

七、結(jié)束語

ZigBee技術(shù)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(shù)優(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi)，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(shù)的產(chǎn)品會走進全球每家每戶，在提高我們的生活質(zhì)量方面作出突出的貢獻。