ZigBee短距離無線通信技術(shù)概述

1．ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由ZigBee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶的應(yīng)用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。

根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)據(jù)不同，因而，在該項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz頻段上分為16個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)（indus- trial，scientific and medical，ISM）頻段，該頻段為免付費、免申請的無線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250Kb／s；另外兩個頻段為915／868MHz，其相應(yīng)的信道個數(shù)分別為10個和1個，傳輸速率分別為40Kb／s和ZOKb／s，868MHz和 915MHz無線電使用直接序列擴頻技術(shù)和二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制技術(shù)。2.4GHz無線電使用DSSS和偏移正交相移鍵控（O－QPSK）。

在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點對點對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16b短地址或者64b長地址，可容納的最大設(shè)各個數(shù)分別為216和264個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。

在無線通信技術(shù)上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。

ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)各，其發(fā)射輸出為 0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)各可以自動調(diào)整設(shè)各的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)各能量。

為保證ZigBee設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。

2． ZigBee技術(shù)特點

ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設(shè)各使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低

只有10～250Kb／s，專注于低傳輸速率應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不傳輸語音、視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單數(shù)據(jù)。

（2）功耗低

工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有1μW。設(shè)各搜索時延一般為 30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接人時延為15ms。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設(shè)各非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間（工作時間＋休眠時間）之比小于t％的情況，電池的壽命甚至可以超過1年。

（3）數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee的介質(zhì)鏈路層（以MAC層）采用CSMA－CA碰撞避免機制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的竟?fàn)幒蜎_突。同時ZigBee針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（coordinator）是一種全功能器件，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常為簡化功能器件。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。

（5）自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)的使用者也希望能在需要的時候向已有的網(wǎng)絡(luò)中加人新的傳感器節(jié)點。

（6）兼容性

ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

（7）安全性

ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接人控制清單（ACL）來防止非法器仵獲取數(shù)據(jù)。

在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。

（8）實現(xiàn)成本低

模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee協(xié)議免專利費用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強大功能。

3．ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)很簡單，不像諸如藍牙和其他網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常分為7層，而ZigBee技術(shù)僅分為4層，如圖所示。

圖 ZigBee協(xié)議棧

在ZigBee技術(shù)中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其中，PHY層提供了兩種類型的服務(wù)：即通過物理層管理實體接口對PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)。PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元來實現(xiàn)。

PHY層的特征是啟動和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量監(jiān)測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評估，以及通過物理介質(zhì)對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。同樣，MAC層也提供了兩種類型的服務(wù)：通過MAC層管理實體服務(wù)接人點向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務(wù)。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元

MAC層的具體特征是：信標(biāo)管理，信道接入，時隙管理，發(fā)送確認(rèn)幀，發(fā)送連接及斷開連接請求。除此以外，MAC層為應(yīng)用合適的安全機制提供一些方法。

ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)／安全層主要用于ZigBee的WPAN的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等；應(yīng)用層主要為ZigBee技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對ZigBee技術(shù)進行開發(fā)應(yīng)用。

根據(jù)ZigBee Alliance的觀點，一般家庭可將ZigBee應(yīng)用于以下裝置：

①空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器，燈光、窗簾的自動控制。

②老年人與行動不便者的緊急呼叫器。

③電視與音響的萬用遙控器，無線鍵盤、滑鼠、搖桿，玩具。

④煙霧偵測器。

⑤智慧型標(biāo)簽。