ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)概述 ZigBee 協(xié)議框架

ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)概述

ZigBee 技術(shù)在 IEEE 802.15.4 的推動(dòng)下，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等

傳統(tǒng)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，在未來(lái)其應(yīng)用可能涉及人類(lèi)日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域，真正實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 技術(shù)是一組基于 IEEE 802.15.4 無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)工作組 IEEE802.15.4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是 ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)，ZigBee 技術(shù)建立在 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)之上，IEEE 802.15.4 只處理低級(jí) MAC 層和物理層協(xié)議，ZigBee 聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，因此非常適用于家電和小型電子設(shè)備的無(wú)線控制指令傳輸。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類(lèi)型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器）、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）。

其目標(biāo)功能是自動(dòng)化控制。它采用跳頻技術(shù)，使用的頻段分別為 2.4GHz（ISM），868MHz（歐洲）及 915MHz（美國(guó)），而且均為免執(zhí)照頻段，有效覆蓋范圍為 10～275m。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)速率降低到 28kb/s 時(shí)，傳輸范圍可以擴(kuò)大到 334m，具有更高的可靠性。

ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是一種新興的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，它是基于 IEEE 802.15.4 協(xié)議棧，主要是針對(duì)低速率的通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的。它功耗低，是最具有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式。它和 2.4GHz 頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kb/s，915MHz 頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kb/s，而 868MHz 頻帶提供的數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kb/s。另外，它可與 254 個(gè)包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備的節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。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。ZigBee 體系結(jié)構(gòu)如圖 所示。

ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee 是一種無(wú)線連接，可工作在 2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和 915MHz（美國(guó)流行）三個(gè)頻段上，分別具有最高 250kb/s、20kb/s 和 40kb/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在 10～75m 的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee 自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1．功耗低

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備工作周期較短、收發(fā)數(shù)據(jù)信息功耗低，且使用了休眠模式（當(dāng)不需接收數(shù)據(jù)時(shí)處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)由“協(xié)調(diào)器”喚醒它們），因此，ZigBee技術(shù)特別省電，據(jù)估算，ZigBee 設(shè)備僅靠?jī)晒?jié) 5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間，這是其他無(wú)線設(shè)備望塵莫及的，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

2．成本低

由于 ZigBee 協(xié)議棧設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，所以其研發(fā)和生產(chǎn)成本較低。普通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件只需 8 位微處理器，4～32KB 的 ROM，且軟件實(shí)現(xiàn)也很簡(jiǎn)單。隨著產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，ZigBee 通信模塊價(jià)格預(yù)計(jì)能降到 10 元人民幣，并且 ZigBee 協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)的。低成本對(duì)于 ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

3．可靠性高

由于采用了碰撞避免機(jī)制并且為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了收

發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，且 MAC 層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，所以從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。

4．容量大

一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和 1 個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在 100 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

5．時(shí)延小

ZigBee 技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)的時(shí)延相比，其各項(xiàng)指標(biāo)值都非常小。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延 30ms，而藍(lán)牙為 3～10s。休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。

6．安全性好

ZigBee 技術(shù)提高了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法使用 AES-128，且各應(yīng)用可以靈活地確定安全屬性，從而使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。

7．有效范圍小

有效覆蓋范圍在 10～75m 之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。

8．兼容性

ZigBee 技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采

用載波偵聽(tīng)／沖突檢測(cè)（CSMACA）方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

ZigBee 具有廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee 聯(lián)盟預(yù)言在未來(lái)的 4 到 5 年，每個(gè)家庭將擁有 50個(gè) ZigBee 器件，最后將達(dá)到每個(gè)家庭 150 個(gè)。據(jù)估計(jì)，ZigBee 市場(chǎng)價(jià)值將超過(guò)數(shù)億美元/年。其應(yīng)用領(lǐng)域如圖 所示。

（1）家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，可以遠(yuǎn)程控制家里的電器、門(mén)窗等；可以方便地實(shí)現(xiàn)水、電、氣三表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表；通過(guò)一個(gè)ZigBee遙控器，控制所有的家電節(jié)點(diǎn)。未來(lái)的家庭將會(huì)有50～100個(gè)支持ZigBee的芯片安裝在電燈開(kāi)關(guān)、煙火檢測(cè)器、抄表系統(tǒng)、無(wú)線報(bào)警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房機(jī)械中，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制服務(wù)。

（2）工業(yè)控制。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，利用傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。例如，危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測(cè)、火警的早期檢測(cè)和預(yù)報(bào)、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測(cè)和維護(hù)等。

（3）公共場(chǎng)所。例如，煙霧探測(cè)器等。

（4）農(nóng)業(yè)控制。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒(méi)有通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要依靠人力監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況。采用了傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)化，使用更多的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來(lái)耕種。傳感器可以收集包括土壤濕度、氮濃度、pH 值、降水量、溫濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經(jīng)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳遞到中央控制設(shè)備供農(nóng)民決策和參考，這樣就能夠及早而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

（5）醫(yī)療。借助于各種傳感器和 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確且實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)，特別是對(duì)重病和病?；颊叩谋O(jiān)護(hù)治療。老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。

（6）商業(yè)。例如智慧型標(biāo)簽等。

ZigBee 協(xié)議框架

ZigBee 堆棧是在 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的 MAC 和 PHY 層。ZigBee 設(shè)備應(yīng)該包括 IEEE 802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了 RF 射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的 PHY 和 MAC 層，以及 ZigBee 堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。

完整的 ZigBee 協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成，如圖所示。

ZigBee 協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用程序接口等由 ZigBee 聯(lián)盟制定。物理層和

MAC 層由 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)定義。在 MAC 子層上面提供與上層的接口，可以直接與網(wǎng)絡(luò)層連接，或者通過(guò)中間子層 SSCS 和 LLC 實(shí)現(xiàn)連接。ZigBee 聯(lián)盟在 802.15.4 基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，安全層主要實(shí)現(xiàn)密鑰管理、存取等功能。應(yīng)用程序接口負(fù)責(zé)向用戶(hù)提供簡(jiǎn)單的應(yīng)用軟件接口（API），包括應(yīng)用子層支持（Application Sub-layer Support，APS）、ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZigBee Device Object，ZDO）等，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層對(duì)設(shè)備的管理。