種新的無線網絡通信技術Zigbee
一種新的無線網絡通信技術Zigbee
南京總參第六十三研究所 瞿雷
引言
對于嵌入式系統(tǒng)應用，往往需要相互間的通信，以交換測量數(shù)據和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包括點對點或總線方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著無線網絡通信技術的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術便有了它的用武之地。
目前，市場上已有多家公司推出應用于近距離通信的RF芯片產品，如工作在2.4GHz的nRF24E1（Nordic）、CC1020/2500（Chipcon），工作在300～450MHz的MAX7044/7033（Maxim）等。不少嵌入式應用也采用了這類技術，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標準規(guī)范（或采用自己的專用標準）來制定MAC層、鏈路層和網絡層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標系統(tǒng)設計，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，對組網應用更可能存在問題；不同廠家的產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絡通信技術標準，它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產和應用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、 CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯(lián)盟對其產品所做的測試和兼容性驗證。預計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產品和應用會迅速得到普及和高速發(fā)展。
1 Zigbee技術及應用
1.1 主要技術特點
Zigbee一詞源自蜂蜜群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專著于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術、亦包含寓意。
Zigbee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區(qū)域網）協(xié)議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范（API）由Zigbee聯(lián)盟進行了制定，整個協(xié)議架構如圖1所示。
Zigbee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，因此、每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備；而另外還有一些節(jié)點，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備（也稱為協(xié)調器），如圖2所示。
Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：
①低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。
②低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費。
③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據的應用需求。
④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3Km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
⑤短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能，相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3S。
⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理；最多可組成65 000個節(jié)點的大網。
⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據以及采用高級加密標準（AES－128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療（ISM）頻段。2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。
1.2 Zigbee產品應用
Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數(shù)據類型有周期性數(shù)據、間歇性數(shù)據和低反應時間數(shù)據。根據設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制（如自動控制設備、無線傳感器網絡），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警）消費類電子設備的遙控裝置，PC外設的無線連接等領域。
一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是Zigbee應用極具優(yōu)勢的地方：
①需要無線通信交換信息的低成本裝置；
②數(shù)據的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?div style="height:15px;">
③功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；
④需要多個（尤其是大量）設備組成無線通信網絡，主要進行監(jiān)測和控制的場合。
依據Zigbee的聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設想，產品應提供一站式的解決方案，以方便應用，使那些不熟悉RF技術的人員也能迅速上手。因此其產品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內置的協(xié)議棧將Zigbee的通信、組網等無線溝通方面的工作已完全由產品實現(xiàn)，用戶只需要根據協(xié)議提供的標準接口進行應用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡化，完成Zigbee協(xié)議的內嵌處理器一般可采用低價低功耗的8位MCU。
Chipcon公司推出的高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128KB閃存、8KBRAM以及8051八位MCU核；另外還集成了模數(shù)轉換器（ADC），定時器、AES－128協(xié)同處理器、看門狗、32kHz晶振休眠定時器、上電復位和掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳；使這寬產品就是一個具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee無線網絡節(jié)點，包括協(xié)調器、路由器和終端設備等。
此外、不少廠商也推出了Zigbee的產品和全套解決方案。如Freescale公司發(fā)布的低功耗2.45GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網狀網絡，并在一個配套的MCU上實現(xiàn)Zigbee的協(xié)議棧；傳輸速率為250kbps，采用正交QPSK調制和直接序列擴頻編碼，通過1個四線串行接口與MCU通信，Helicomm公司推出的IP－Link 1200 Zigbee開發(fā)工具和產品，包含符合802.15.4標準的2.4GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網絡軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75m范圍內提供250kbps的速率；支持最新的RS232－mesh透明串行模式，能在網狀和多次跳接（multihop）無限網絡內支持串行數(shù)據路由，速率最高可達38.4kbps。
可以看出，一些國際著名的半導體廠商已在積極推出Zigbee產品，有望在今后一段時間通過商業(yè)化推進，使Zigbee產品應用得到極大擴展，但同時，也有一些RF廠商在發(fā)展自己的專有產品，如Zensys公司就積極推進它的Z－Wave無線協(xié)議，尤其在家庭自動化領域與其爭奪市場；另外，Dust公司堅持使用自己的技術；Ember公司雖然大舉進軍Zigbee領域，但也計劃繼續(xù)提供自己的專有EmberNet技術?？梢哉f，Zigbee的應用并非一片坦途，需要Zigbee聯(lián)盟及廠商的持續(xù)努力和市場的廣泛認同。
2 與其他幾種無線通信技術的比較
目前，市場上近距離無線通信技術主要有無線局域網WiFi、藍牙和一些專用標準（如Ad－h(huán)oc網等）的產品。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網通信技術標準，如無線（USB、超寬帶通信UWB和WiMax等，下面對這些技術作一些簡要介紹和比較。
藍牙技術發(fā)展從1999年起已經歷了多個年頭，一直受芯片價格高、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。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，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市場；采用IEEE802.11b標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據傳輸速率為11Mbps，并可根據信號強弱把傳輸率調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬；采用最新的802.11g時，速率可達54Mbps，是目前應用最廣的無線網絡傳輸協(xié)議。
借助USB在PC上的廣泛應用，無線USB也受Intel、HP、微軟等幾家PC領域大公司的力推，已于近期制定了無線USB規(guī)范。使用WiMedia聯(lián)盟的MB－OFDM超寬帶MAC和PHY層，通信距離在3～10M，最高速率在480Mbps，有望短期內在PC周邊設備的無線連接上得到大量應用。
UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調制技術，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術陣營競爭技術標準，預期的通信距離5～10m，速率甚至可高達1Gbps，非常適合于家用消費電子產品之間的大容量數(shù)據傳輸。
作為WiFi下一代技術的WiMax，被設想成一項無線城域網接入技術，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號傳輸半徑可達到50km，圖4是以上幾種無線通信技術的速率/距離比較。
從圖4中看，主要無線技術都集中在1Mbps以上的速率，新的標準還在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉。在實際應用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網絡、家居自動化等諸多領域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現(xiàn)今的市場看、每一種無線通信技術的產品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時間內，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術的產品在市場上共存。
結語
無線組網通信是當今工業(yè)控制、計算機應用、家庭自動化等方面技術發(fā)展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網絡要求令Zigbee應運而生；高度集成化的軟、硬件架構和產品，也使應用人員如虎添翼，更快、更方便地進行最終產品設計。這些顯示出Zigbee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應用前景十分看好，值得廣大嵌入式應用的技術人員關注，并加入到它的應用行列。
本文摘自《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》
