ZigBee無線通信協(xié)議的技術支持及其應用前景.doc

網(wǎng)絡和通信技術的發(fā)展，使人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的無線通信技術正成為關注的焦點。目前一種新的無線通信技術引起了人們的關注，這就是所謂的“ZigBee”技術。ZigBee這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。有了ZigBee這種低速率通信技術，其所支持的應用更貼近人們的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4標準、ZigBee技術及其支持、應用前景和應用開發(fā)等方面的問題作一介紹。一ZigBee技術及其特征1.ZigBee技術ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網(wǎng)絡技術，是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。其目標市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學等需要低功耗、低成本無線通信的應用。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術。IEEE802.15.4在物理(PHY)層設計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為2.4GHz、915MHz和868MHz三種，各頻段可使用的信道分別有16、10、1個，各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s之傳輸速率，其傳輸范圍介于10100M之間。由于ZigBee使用的2.4GHz、915MHz和868MHz頻段是免費開放的，故已有多種無線通信技術使用，為避免被干擾，故在各個頻段皆采用直接序列展頻(DSSS)技術，以化整為零方式將一個信號分為多個信號，再經(jīng)由編碼方式傳送信號以避免干擾，這對大部分較低端的實現(xiàn)來說，直接序列展頻技術的應用可使模擬電路變得簡單，具有更高的容錯性能。IEEE802.15.4在媒體存取控制(MAC)層方面，主要是沿用無線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11系列標準的CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)兼容性。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進行數(shù)據(jù)傳輸動作；若產生碰撞，則稍后重新再傳。這種MAC層的設計，不但使多種拓撲結構網(wǎng)絡的應用變得簡單，還可實現(xiàn)非常有效的功耗管理。IEEE802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，而由ZigBee聯(lián)盟所主導的ZigBee標準中，定義了網(wǎng)絡層、安全層、應用層和各種應用產品的資料或行規(guī)，并對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。網(wǎng)絡功能是ZigBee最重要的特點，也是與其他無線局域網(wǎng)(WPAN)標準不同的地方。在網(wǎng)絡層方面，其主要工作在于負責網(wǎng)絡機制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復功能。在網(wǎng)絡層中，ZigBee定義了3種角色：第一個是網(wǎng)絡協(xié)調者，負責網(wǎng)絡的建立，以及網(wǎng)絡位置的分配；第二個是路由器，主要負責找尋、建立以及修復信息包的路由路徑，并負責轉送信息包；第三個是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡，可以收發(fā)信息，但不能轉發(fā)信息，不具備路由功能。在同一個WPAN上，可以存在65536個ZigBee裝置，彼此可通過多重跳點的方式傳遞信息。為了在省電、復雜度、穩(wěn)定性與實現(xiàn)難易度等因素上取得平衡，網(wǎng)絡層采用的路由算法共有3種：以AODV算法建立隨意網(wǎng)絡的拓撲架構(MeshTopology)；以摩托羅拉Cluster-tree算法的方法建立星狀的拓撲架構(StarTopology)；以及利用廣播的方式傳遞信息。因此，人們可根據(jù)具體應用需求，選擇適合的網(wǎng)絡架構。為了降低系統(tǒng)成本，IEEE定義了兩種類型的裝置：全功能裝置(FFD)、簡化功能裝置(RFD)，可構成多種網(wǎng)絡拓撲結構。在組網(wǎng)方式上，ZigBee主要采用了圖1所示的3種組網(wǎng)方式。一種為星型網(wǎng)，網(wǎng)絡為主從結構，一個網(wǎng)絡有一個網(wǎng)絡協(xié)調者和最多可達65535個從屬裝置，而網(wǎng)絡協(xié)調者必須是FFD，由它來負責管理和維護網(wǎng)絡；另一種為簇狀形網(wǎng)，可以是擴展的單個星型網(wǎng)或互聯(lián)兩個星型網(wǎng)絡；再有一種為網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡中的每一個FFD同時可作為路由器，根據(jù)ADhoc網(wǎng)絡路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑。對于應用層，主要有3個部分，與網(wǎng)絡層連接的APS(ApplicationSupport)、ZDO(ZigBeeDeviceObject)、以及裝置應用Profile。ZigBee的應用層架構，最重要的是已涵蓋了服務(Service)的觀念，所謂的服務，簡單來看就是功能。對于ZigBee裝置而言，當加入到一個WPAN后，應用層的ZDO會發(fā)動一系列初始化的動作，先通過APS做裝置搜尋(DeviceDiscovery)以及服務搜尋(ServiceDiscovery)，然后根據(jù)事先定義好的描述信息(Description)，將與自己相關的裝置或是服務記錄在APS里的綁定表(BindingTable)中，之后，所有服務的使用，都要通過這個綁定表來查詢裝置的資料或行規(guī)。而裝置應用Profile則是根據(jù)不同的產品而設計出不同的描述信息(Description)、以及ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)設定。在應用層，開發(fā)商必須決定是采用公共的應用類還是開發(fā)自己專有的類。ZigBeeV1.0已經(jīng)為照明應用定義了基本的公共類，并正在制定針對HVAC、工業(yè)傳感器和其他傳感器的應用類。任何公司都可以設計與支持公共類的產品相兼容的產品。例如，一個采用公共ZigBee照明類的熒光燈鎮(zhèn)流器供應商可與采用相同類的第三方燈開關調光器實現(xiàn)互操作。開發(fā)人員可對該公共類加入他們自己的看法和感覺。ZigBee設備采用應用對象進行建模，這些應用對象通過交換類對象和它們的屬性實現(xiàn)與其他設備的通信。安全性一直是個人無線網(wǎng)絡中的極其重要的話題。安全層并非單獨獨立的協(xié)議，ZigBee為其提供了一套基于128位AES算法的安全類和軟件，并集成了IEEE802.15.4的安全元素。為了提供靈活性和支持簡單器件，IEEE802.15.4在數(shù)據(jù)傳輸中提供了3級安全性：第一級實際是無安全性方式，對于某種應用，如果安全性并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可選擇這種方式來轉移數(shù)據(jù)；對于第二級安全性，器件可使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全性在數(shù)據(jù)轉移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱密碼，如ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級加密標準(AdvancedEncryptionStan-dard，AES)的算法進行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全機制，用來保證MAC層幀的機密性、一致性和真實性。選擇AES的原因主要是考慮到在計算能力不強的平臺上實現(xiàn)起來較容易，目前大多數(shù)的RF芯片，都會加入AES的硬件加速電路，以加快安全機制的處理。另外，ZigBeeAlliance也負責Zig-Bee產品的互通性測試與認證規(guī)格的制定。ZigBeeAlliance會定期舉辦ZigFest活動，讓發(fā)展ZigBee產品的廠商有一個公開場合，能夠互相測試互通性。而在認證部分，ZigBeeAlliance共定義了3種層級的認證：第一級(Level1)是認證PHY與MAC，與芯片廠有最直接的關系；第二級(Level2)是認證ZigBeeStack，所以又稱為ZigBee-compliantPlatformCertification；第三級(Level3)是認證ZigBee產品，通過第三級認證的產品才允許貼上ZigBee的標志，所以也稱為ZigBee-LogoCertification。2.ZigBee的特點和傳輸數(shù)據(jù)類型根據(jù)ZigBee之技術本質，ZigBee具有下列特性：(1)功耗低、時延短、實現(xiàn)簡單。裝置可以在使用電池的驅動下，運行數(shù)月甚至數(shù)年，低功耗意味著較高的可靠性和可維護性，更適合體積小的眾多應用；非電池供電的裝置同樣需要考慮能量的問題，因為功耗還關系著成本等一系列問題。ZigBee傳輸速率低，使其傳輸信息量亦少，所以信號的收發(fā)時間短，其次在非工作模式時，ZigBee處于睡眠模式，這對省電極為有利。另外，在工作與睡眠模式之間的轉換時間短，一般睡眠激活時間只有15ms，而裝置搜索時間為30ms。(2)可靠度高。ZigBee的MAC層采用碰撞避免(CSMA/CA)機制，此機制無疑能大幅提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽慷取?3)高度擴充性。每個ZigBee網(wǎng)絡最多可支持255個裝置，其中一個是主裝置，其余則是從裝置。若通過網(wǎng)絡協(xié)調器，則整體網(wǎng)絡最多可達到65000多個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點。ZigBee通過使用IEEE802.15.4標準的PHY和MAC層支持幾乎任意數(shù)目的裝置數(shù)目，這一點對于大規(guī)模傳感器陣列和控制尤其重要。(4)裝置、安裝、維護的低成本。對用戶來說，低成本意味著較低的裝置費用、安裝費用和維護費用。ZigBee裝置可以在標準電池供電的條件下(低成本)，而不需要任何重換電池或充電操作(低成本、易安裝)。ZigBee在其內部自動可配置和網(wǎng)絡裝置的冗余等方面的簡化更是提供了較低的維護費用。另外電池供電可使裝置的體積和面積都得到有效的降低，從而降低一系列與之相關的成本。(5)協(xié)議簡單，國際通用。ZigBee協(xié)議棧只有Bluetooth或其它IEEE802.11的1/4或更小，這種簡化對低成本、可交互性和可維護性非常重要。IEEE802.15.4的PHY層的使用可以支持歐洲的868MHz的頻段、全球美洲和澳洲的915MHz的頻段和現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛使用的2.4GHz的頻段，這使得該協(xié)議具有旺盛的生命力。(6)自配置。802.15.4在媒體接入控制層中加入了關聯(lián)和分離功能，以達到支持自配置的目的。自配置不僅能自動建立起一個星狀網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對等網(wǎng)。在關聯(lián)過程中可以實現(xiàn)各種配置，例如為個人域網(wǎng)選擇信道和識別符(ID)，為器件指配16位短地址，設定電池壽命延長選項等。從802.15.4到ZigBee不難發(fā)現(xiàn)，這些標準的目的，就是希望以低價切入產業(yè)自動化控制、能源監(jiān)控、機電控制、照明系統(tǒng)管控、家庭安全和RF遙控等領域。在ZigBee網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常分為3類：周期性數(shù)據(jù)，如傳感器中傳遞的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率是根據(jù)不同的應用定義的；間斷性數(shù)據(jù)，如控制電燈開關時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率是由應用或外部激勵定義的；還有反復性的低反應時間的數(shù)據(jù)，如無線鼠標傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率根據(jù)分配的時隙定義的。因此，凡是只需傳遞少量信息，例如：控制(Control)或是事件(Event)的信息傳遞，都是ZigBee容易發(fā)揮的戰(zhàn)場。3.ZigBee網(wǎng)絡的形成一個ZigBee網(wǎng)絡的形成，必須由FFD率先擔任網(wǎng)絡協(xié)調器，由協(xié)調器進行掃描搜索以發(fā)現(xiàn)一個未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡；再讓其它的FFD或是RFD加入這個網(wǎng)絡，需要注意的是RFD只能與FFD連結。事實上，人們可根據(jù)裝置在網(wǎng)絡中的角色和功能，預先對裝置編制好程序。如協(xié)調器的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個未用的信道來組建一個網(wǎng)絡；路由器(一個網(wǎng)絡中的Mesh裝置)的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個激活的信道并將其連接，然后允許其它裝置連接；而末端裝置的功能總是試圖連接到一個已存在的網(wǎng)絡。二ZigBee的適用條件和前景ZigBee支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域，ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子裝置、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用裝置控制、電腦外設、玩具和游戲機等。1.采用ZigBee技術的條件通常符合下列條件之一的應用，均可考慮采用ZigBee技術：裝置成本很低、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很??；裝置體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；沒有充足的電源支持，只能使用一次性電池；頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難；要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、安全性高；需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡中的裝置非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制；使用GPS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動目標的定位應用。2.應用前景展望(1)在傳感器網(wǎng)絡領域：傳感器網(wǎng)絡被稱作為未來十大技術之一，由傳感器和ZigBee裝置構成監(jiān)控網(wǎng)絡，可自動采集、分析和處理各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，適合于農業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學、軍事等需要數(shù)據(jù)自動采集并要求網(wǎng)絡傳輸?shù)母鱾€領域。ZigBee技術的其它應用還相當廣泛，如照明、安全、物流管理等。更多的應用將取決于業(yè)界標準化組織、應用開發(fā)商和用戶的進一步設計與完善。(2)在工業(yè)領域：ZigBee技術有助于改進公共設施和能源管理、物流和庫存追蹤、安全性和訪問控制，它也能夠跟蹤其它系統(tǒng)以實現(xiàn)預防性維護和性能監(jiān)控。例如危險化學成分的檢測、火警的早期檢測和預報、照明系統(tǒng)的檢測和控制，生產機臺的流程控制、高速旋轉機器的檢測和維護等，都可借助ZigBee網(wǎng)絡提供相關信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制之目的。利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡，使得數(shù)據(jù)的自動采集、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。這些應用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，重點在低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少ZigBee網(wǎng)絡的維護成本。(3)在汽車上：主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內置在飛轉的車輪或者發(fā)動機中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這不僅要求采用無線技術，而且要求內置的無線通信裝置使用的電池壽命長，最好超過或等于輪胎本身的壽命；同時還應該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。(4)在家庭和樓宇自動化領域：家庭自動化系統(tǒng)和樓宇自動化領域，作為電子技術的集成被得到迅速擴展。易于進入、簡單明了和廉價的安裝成本等成了驅動自動化居家和建筑開發(fā)和應用無線技術的主要動因。未來的家庭將會有50150個支持ZigBee模塊被安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、門禁系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房器械和其它家電產品中，通過ZigBee收集各種信息，傳送到中央控制裝置，或通過遙控達到遠程控制之目的，提供家居生活更朝向自動化、網(wǎng)絡化與智能化，以有效增加人們居住環(huán)境之方便性與舒適度。圖2是來自WestTechnologyResearchSolusion分析報告的數(shù)據(jù)，這還是2004年3月時對ZigBee芯片需求量預測。Chipcon的Chiu曾經(jīng)說過：“ZigBee的主要優(yōu)勢在于該類產品可以聯(lián)網(wǎng)，同時還具有可互操作、高可靠及高安全等特性。許多應用現(xiàn)在已經(jīng)能夠在不使用電纜的情況下進入家庭和建筑當中，將來還可通過遠程控制(甚至可以是手機)來實現(xiàn)對樓宇自動化裝置的管理。”(5)在精確農業(yè)：傳統(tǒng)農業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機械裝置，主要依靠人力監(jiān)測作物的生長狀況。采用了由成千上萬個傳感器構成的比較復雜的ZigBee網(wǎng)絡后，農業(yè)將可以逐漸地轉向以信息和軟件為中心的生產模式，使用更多的自動化、網(wǎng)絡化、智能化和遠程控制的裝置來耕種。傳感器可能收集包括土壤濕度、氮濃度、pH值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡傳遞到中央控制裝置供農民決策和參考，這樣農民能夠及早而準確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農作物的產量。(6)在醫(yī)學領域：將借助于各種傳感器和ZigBe