無線通信技術(shù)Zigbee的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，往往需要相互間的通信，以交換測(cè)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(chǎng)合，無線通信技術(shù)便有了它的用武之地。

目前，市場(chǎng)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(duì)通信的控制軟件完全依賴目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(duì)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(shí)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(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢(shì)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(duì)其產(chǎn)品所作的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。預(yù)計(jì)從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)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(diǎn)

Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動(dòng)物通過簡(jiǎn)捷的方式實(shí)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(dú)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（API）由Zigbee聯(lián)盟進(jìn)行了制定，整個(gè)協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

圖1 Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)

Zigbee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)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。

圖2片狀結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)

Zigbee的特點(diǎn)突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個(gè)方面：

① 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6”24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。

② 低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。

③ 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。

④ 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(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

⑤ 短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3“10 s、WiFi需要3 s。

⑥ 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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦ 高安全。Zigbee提供了三級(jí)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

⑧ 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國(guó)）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(shí)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(dòng)控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警），消費(fèi)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(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，是Zigbee應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)的地方：

① 需要無線通信交換信息的低成本裝置；

② 數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>

③ 功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長(zhǎng)時(shí)間；

④ 需要多個(gè)（尤其是大量）設(shè)備組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的場(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行應(yīng)用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡(jiǎn)化，完成Zigbee協(xié)議的內(nèi)嵌處理器一般可采用低價(jià)低功耗的8位MCU。

Chipcon公司推出的高度整合的系統(tǒng)級(jí)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(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗、32 kHz晶振休眠定時(shí)器、上電復(fù)位和掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳。使這款產(chǎn)品就是一個(gè)具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。

圖3CC2430 Zigbee芯片

此外，不少?gòu)S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(gè)配套的MCU上實(shí)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(kuò)頻編碼，通過1個(gè)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(zhǎng)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(dá)38.4 kbps。

可以看出，一些國(guó)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(shí)間通過商業(yè)化推進(jìn)，使Zigbee產(chǎn)品應(yīng)用得到極大擴(kuò)展。但同時(shí)，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(jìn)它的ZWave無線協(xié)議，尤其在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域與其爭(zhēng)奪市場(chǎng)；另外，Dust公司堅(jiān)持使用自己的技術(shù)；Ember公司雖然大舉進(jìn)軍Zigbee領(lǐng)域，但也計(jì)劃繼續(xù)提供自己的專有EmberNet技術(shù)。可以說，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(chǎng)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(chǎng)上的近距離無線通信技術(shù)主要有無線局域網(wǎng)WiFi、藍(lán)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(chǎng)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(duì)這些技術(shù)作一些簡(jiǎn)要介紹和比較。

藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個(gè)年頭，一直受芯片價(jià)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(jī)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(chǎng)；采用IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11 Mbps，并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)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(shí)，速率可達(dá)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(shí)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(yíng)競(jìng)爭(zhēng)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(dá)1 Gbps，非常適合于家用消費(fèi)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(xiàng)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(hào)傳輸半徑可達(dá)到50 km。圖4是以上幾種無線通信技術(shù)的速率/距離比較。

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(bǔ)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動(dòng)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場(chǎng)。從現(xiàn)今的市場(chǎng)看，每一種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品都有各自的一些特點(diǎn)，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時(shí)間內(nèi)，雖然會(huì)有一些競(jìng)爭(zhēng)，但仍會(huì)有多種無線通信技術(shù)的產(chǎn)品在市場(chǎng)上共存。

結(jié)語(yǔ)

無線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、家庭自動(dòng)化等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令Zigbee應(yīng)運(yùn)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(jìn)行最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這些顯示出Zigbee具有超強(qiáng)的生命力和優(yōu)勢(shì)，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。

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