基于ZigBee的无线网络技术及应用
Oct 28,2006　Editor of CyberHome

一、引言
　　
　　长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
　　
　　一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
　　
　　二、IEEE 802.15.4和ZigBee介绍
　　
　　IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。
　　
　　2.1 802.15.4协议架构及其技术特点
　　
　　IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层，如图1所示：

　　

　　图 1 IEEE802.15.4协议架构

　　IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。表1列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能：

　　表 1 IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能
　　

　　IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
　　表2 802.15.4的一些特点
　　

　　2.2 ZigBee技术概述

　　ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
　　
　　完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
　　
　　应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：
　　
　　（1）安全与鉴权；
　　
　　（2）多个业务数据流的会聚；
　　
　　（3）设备发现；
　　
　　（4）业务发现。
　　
　　网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议，应包含以下功能：
　　
　　（1）通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；
　　
　　（2）同IEEE802.15.4标准一样，非常省电；
　　
　　（3）有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
　　
　　相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计：
　　
　　（1）8位处理器，如80c51；
　　
　　（2）协议套件软件需要32kbytes的ROM；
　　
　　（3）最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；
　　
　　（4）网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
　　
　　2.3 整个协议构架
　　
　　在标准制定的分工上，由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组共同制定，其中实体层、MAC层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，并共同针对ZigBee Protocol Stack的发展进行研讨，而未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用介面（如图2所示）：
　　
　　

　　图 2 ZigBee协议块状图

　　2.4 IPV6 Over 802.15.4
　　
　　ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术，到2007年将达到30亿节点。具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间，但是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。IPv6在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如端到端IP连接、服务质量（QoS）、安全性、多播、移动性、即插即用等。因此，将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向,目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft，其标准也不久将出台。
　　
　　三、ZigBee技术的优势及应用
　　
　　3.1 ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较：
　　
　　IEEE 802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的：
　　
　　1．数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。
　　
　　2．功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
　　
　　3．成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。
　　
　　4．网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
　　
　　5．时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
　　
　　6．安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。
　　
　　7．有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
　　
　　8．工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
　　
　　与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了；
　　
　　一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备（一个主设备和7个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。
　　
　　而802.11, 也被称作Wi-Fi也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。
　　
　　3.2 可能应用及市场发展：
　　
　　ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术：
　　
　　1．设备成本很低，传输的数据量很小；
　　
　　2．设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
　　
　　3．没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；
　　
　　4．频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；
　　
　　5．需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。
　　
　　根据ZigBee Alliance的观点，一般家庭可将ZigBee应用于以下装置：
　　
　　1．空调系统的温度控制器, 灯光、窗帘的自动控制；
　　
　　2．老年人与行动不便者的紧急呼叫器；
　　
　　3．电视与音响的万用遥控器, 无线键盘、滑鼠、摇杆。

 

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