ZIGBEE技术与应用

一、引言

随着人们对低速率无线个人域网的应用需求越来越大，ZigBee技术在近年来得到了快速的发展。由于ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离和网络容量大等特点，其主要适合用于工业自动控制、消费性电子设备、汽车自动化、医用设备控制、无线传感器网络和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。

二、ZigBee技术简介

ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项技术标准。ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节，或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

ZigBee读写器是短距离、多点、多跳无线通信产品，能够简单、快速地为串口终端设备增加无线通信的能力。产品有效识别距离可达1500m，最高识别速度可达200千米/小时，同时识别200张标签，性能稳定、工作可靠、信号传输能力强、使用寿命长等优势。

三、ZigBee技术特点

（1）超越蓝牙的简单实用

1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令ZigBee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用，不过相关规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言：ZigBee和UWB（Ultra-WideBand，超宽频道）切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实，因为ZigBee不支持语音，但ZigBee的低价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点，使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。

（2）ZigBee技术的主要特点

⊙数据传输速率低：只有10K字节/秒到250K字节/秒，专注于低传输应用。

⊙功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

⊙成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本，且ZigBee协议免收专利费。⊙网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。

⊙时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。

⊙安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性。

⊙有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。⊙工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz；868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多。最终，他们可能会微缩到尘埃大小。届时，数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。

四、ZigBee协议

随着无线网络市场对网络的高效性及标准化的需求日益增长，Zigbee协议作为一种支持低速率、低功耗、安全可靠的无线网络标准应用而生。它是目前远程监控传感网络应用领域惟一的标准化技术，还处于不断成长与发展中，但已显示出强大的生命力。

1. ZigBee堆栈层

每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义的，并以应用对象（Application Objects）的形式实现（见图1）。

每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接（例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮）。端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。

图2就是设备及其接口的一个例子：每个接口都能接收（用于输入）或发送（用于输出）簇格式的数据。一共有二个特殊的端点，即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理；应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其他层通信，从而实现对这些层的初始化和配置；附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象（ZD0）；端点255用于向所有端点的广播；端点241到254是保留端点。

所有端点都使用应用支持子层（APS）提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。

APS使用网络层提供的服务，网络层负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象（ZD0）对网络层参数进行配置和访问。

2. 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4标准为低速率无线个人域网（LRWPAN）定义了OSI模型开始的两层。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频信号，分别位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射频可以提供250kb/s的数据速率和16个不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1个数据速率为20kb/s的信道，915MHz支持10个数据速率为40kb/s的信道。MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信，它负责建立与网络的同步，支持关联和去关联以及MAC层安全：它能提供二个设备之间的可靠链接。

3. 关于服务接入点

ZigBee堆栈的不同层与802.15.4 MAC通过服务接入点（SAP）进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务；管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。

4. ZigBee的安全性

安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是，系统的整体安全性是在模板级定义的，这意味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。每一层（MAC、网络或应用层）都能被保护，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZD0进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准（AES）。ZigBee规范定义了信任中心的用途，信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。

5. ZigBee堆栈容量和ZigBee设备

根据ZigBee堆栈规定的所有功能和支持，我们很容易推测ZigBee堆栈实现需要用到设备中的大量存储器资源。不过ZigBee规范定义了三种类型的设备，每种都有自己的功能要求：ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备，协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器，ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器，ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。ZigBee端终设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其他需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。然而需要特别注意的是，网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。网络层支持的网络拓扑有星型、树型和网格型。在这几种网络拓扑中，星型网络对资源的要求最低。

五、ZigBee应用

随着ZigBee规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。其典型应用领域如下：

1. 数字家庭领域

可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等。例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。

2. 工业领域

通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。韩国的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平台上成功研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及水表，从而为公用事业企业节省数百万美元，此项技术正在进行前期测试，很快将在美国市场上推出。

3. 智能交通

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量ZigBee终端设备，你就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处位置，正向何处去。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。从ZigBee无线网络系统能够得到比GPS多很多的信息，如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于ZigBee技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

六、结束语

为了推动ZigBee技术的发展，Chipcon（已被TI收购）与Ember，Freescale，Honeywell，Mistubishi，Motorola，Philips和Samsung等公司共同成立了ZigBee联盟（ZigBee Alliance），目前该联盟已经包含130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于2004年11月亲自造访我国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测，低功耗、低成本的ZigBee技术将在未来得到快速增长。

ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。

见www.dcw.org.cn