ZigBee無線通信協(xié)議的技術(shù)支持及其應(yīng)用前景.doc

網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)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(jià)的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點(diǎn)。目前一種新的無線通信技術(shù)引起了人們的關(guān)注，這就是所謂的“ZigBee”技術(shù)。ZigBee這個(gè)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(shù)，其所支持的應(yīng)用更貼近人們的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee技術(shù)及其支持、應(yīng)用前景和應(yīng)用開發(fā)等方面的問題作一介紹。一ZigBee技術(shù)及其特征1.ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。其目標(biāo)市場是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本無線通信的應(yīng)用。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)。IEEE802.15.4在物理(PHY)層設(shè)計(jì)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(gè)，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(fèi)開放的，故已有多種無線通信技術(shù)使用，為避免被干擾，故在各個(gè)頻段皆采用直接序列展頻(DSSS)技術(shù)，以化整為零方式將一個(gè)信號分為多個(gè)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(shí)現(xiàn)來說，直接序列展頻技術(shù)的應(yīng)用可使模擬電路變得簡單，具有更高的容錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸動(dòng)作；若產(chǎn)生碰撞，則稍后重新再傳。這種MAC層的設(shè)計(jì)，不但使多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單，還可實(shí)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(dǎo)的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用層和各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料或行規(guī)，并對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點(diǎn)，也是與其他無線局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層方面，其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。在網(wǎng)絡(luò)層中，ZigBee定義了3種角色：第一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；第二個(gè)是路由器，主要負(fù)責(zé)找尋、建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)送信息包；第三個(gè)是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，不具備路由功能。在同一個(gè)WPAN上，可以存在65536個(gè)ZigBee裝置，彼此可通過多重跳點(diǎn)的方式傳遞信息。為了在省電、復(fù)雜度、穩(wěn)定性與實(shí)現(xiàn)難易度等因素上取得平衡，網(wǎng)絡(luò)層采用的路由算法共有3種：以AODV算法建立隨意網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)(MeshTopology)；以摩托羅拉Cluster-tree算法的方法建立星狀的拓?fù)浼軜?gòu)(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(yīng)用需求，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。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(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(luò)為主從結(jié)構(gòu)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和最多可達(dá)65535個(gè)從屬裝置，而網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者必須是FFD，由它來負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)；另一種為簇狀形網(wǎng)，可以是擴(kuò)展的單個(gè)星型網(wǎng)或互聯(lián)兩個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)；再有一種為網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)FFD同時(shí)可作為路由器，根據(jù)ADhoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來優(yōu)化最短和最可靠的路徑。對于應(yīng)用層，主要有3個(gè)部分，與網(wǎng)絡(luò)層連接的APS(ApplicationSupport)、ZDO(ZigBeeDeviceObject)、以及裝置應(yīng)用Profile。ZigBee的應(yīng)用層架構(gòu)，最重要的是已涵蓋了服務(wù)(Service)的觀念，所謂的服務(wù)，簡單來看就是功能。對于ZigBee裝置而言，當(dāng)加入到一個(gè)WPAN后，應(yīng)用層的ZDO會發(fā)動(dòng)一系列初始化的動(dòng)作，先通過APS做裝置搜尋(DeviceDiscovery)以及服務(wù)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(guān)的裝置或是服務(wù)記錄在APS里的綁定表(BindingTable)中，之后，所有服務(wù)的使用，都要通過這個(gè)綁定表來查詢裝置的資料或行規(guī)。而裝置應(yīng)用Profile則是根據(jù)不同的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)出不同的描述信息(Description)、以及ZigBee各層協(xié)議的參數(shù)設(shè)定。在應(yīng)用層，開發(fā)商必須決定是采用公共的應(yīng)用類還是開發(fā)自己專有的類。ZigBeeV1.0已經(jīng)為照明應(yīng)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(yīng)用類。任何公司都可以設(shè)計(jì)與支持公共類的產(chǎn)品相兼容的產(chǎn)品。例如，一個(gè)采用公共ZigBee照明類的熒光燈鎮(zhèn)流器供應(yīng)商可與采用相同類的第三方燈開關(guān)調(diào)光器實(shí)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(shè)備采用應(yīng)用對象進(jìn)行建模，這些應(yīng)用對象通過交換類對象和它們的屬性實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。安全性一直是個(gè)人無線網(wǎng)絡(luò)中的極其重要的話題。安全層并非單獨(dú)獨(dú)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(shí)際是無安全性方式，對于某種應(yīng)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(hù)，器件就可選擇這種方式來轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對稱密碼，如ZigBee的MAC層使用了一種被稱為高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryptionStan-dard，AES)的算法進(jìn)行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全機(jī)制，用來保證MAC層幀的機(jī)密性、一致性和真實(shí)性。選擇AES的原因主要是考慮到在計(jì)算能力不強(qiáng)的平臺上實(shí)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(jī)制的處理。另外，ZigBeeAlliance也負(fù)責(zé)Zig-Bee產(chǎn)品的互通性測試與認(rèn)證規(guī)格的制定。ZigBeeAlliance會定期舉辦ZigFest活動(dòng)，讓發(fā)展ZigBee產(chǎn)品的廠商有一個(gè)公開場合，能夠互相測試互通性。而在認(rèn)證部分，ZigBeeAlliance共定義了3種層級的認(rèn)證：第一級(Level1)是認(rèn)證PHY與MAC，與芯片廠有最直接的關(guān)系；第二級(Level2)是認(rèn)證ZigBeeStack，所以又稱為ZigBee-compliantPlatformCertification；第三級(Level3)是認(rèn)證ZigBee產(chǎn)品，通過第三級認(rèn)證的產(chǎn)品才允許貼上ZigBee的標(biāo)志，所以也稱為ZigBee-LogoCertification。2.ZigBee的特點(diǎn)和傳輸數(shù)據(jù)類型根據(jù)ZigBee之技術(shù)本質(zhì)，ZigBee具有下列特性：(1)功耗低、時(shí)延短、實(shí)現(xiàn)簡單。裝置可以在使用電池的驅(qū)動(dòng)下，運(yùn)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(hù)性，更適合體積小的眾多應(yīng)用；非電池供電的裝置同樣需要考慮能量的問題，因?yàn)楣倪€關(guān)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(shí)間短，其次在非工作模式時(shí)，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(zhuǎn)換時(shí)間短，一般睡眠激活時(shí)間只有15ms，而裝置搜索時(shí)間為30ms。(2)可靠度高。ZigBee的MAC層采用碰撞避免(CSMA/CA)機(jī)制，此機(jī)制無疑能大幅提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽慷取?3)高度擴(kuò)充性。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)裝置，其中一個(gè)是主裝置，其余則是從裝置。若通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，則整體網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)到65000多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。ZigBee通過使用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的PHY和MAC層支持幾乎任意數(shù)目的裝置數(shù)目，這一點(diǎn)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(hù)的低成本。對用戶來說，低成本意味著較低的裝置費(fèi)用、安裝費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。ZigBee裝置可以在標(biāo)準(zhǔn)電池供電的條件下(低成本)，而不需要任何重?fù)Q電池或充電操作(低成本、易安裝)。ZigBee在其內(nèi)部自動(dòng)可配置和網(wǎng)絡(luò)裝置的冗余等方面的簡化更是提供了較低的維護(hù)費(fèi)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(guān)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(hù)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(guān)聯(lián)和分離功能，以達(dá)到支持自配置的目的。自配置不僅能自動(dòng)建立起一個(gè)星狀網(wǎng)，而且還允許創(chuàng)建自配置的對等網(wǎng)。在關(guān)聯(lián)過程中可以實(shí)現(xiàn)各種配置，例如為個(gè)人域網(wǎng)選擇信道和識別符(ID)，為器件指配16位短地址，設(shè)定電池壽命延長選項(xiàng)等。從802.15.4到ZigBee不難發(fā)現(xiàn)，這些標(biāo)準(zhǔn)的目的，就是希望以低價(jià)切入產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化控制、能源監(jiān)控、機(jī)電控制、照明系統(tǒng)管控、家庭安全和RF遙控等領(lǐng)域。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用定義的；間斷性數(shù)據(jù)，如控制電燈開關(guān)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率是由應(yīng)用或外部激勵(lì)定義的；還有反復(fù)性的低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，如無線鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率根據(jù)分配的時(shí)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(luò)的形成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成，必須由FFD率先擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行掃描搜索以發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的最佳信道來建立網(wǎng)絡(luò)；再讓其它的FFD或是RFD加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，需要注意的是RFD只能與FFD連結(jié)。事實(shí)上，人們可根據(jù)裝置在網(wǎng)絡(luò)中的角色和功能，預(yù)先對裝置編制好程序。如協(xié)調(diào)器的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的信道來組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；路由器(一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的Mesh裝置)的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)。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(dòng)化等領(lǐng)域，ZigBee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子裝置、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用裝置控制、電腦外設(shè)、玩具和游戲機(jī)等。1.采用ZigBee技術(shù)的條件通常符合下列條件之一的應(yīng)用，均可考慮采用ZigBee技術(shù)：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(fù)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(luò)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(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。2.應(yīng)用前景展望(1)在傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域：傳感器網(wǎng)絡(luò)被稱作為未來十大技術(shù)之一，由傳感器和ZigBee裝置構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可自動(dòng)采集、分析和處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，適合于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事等需要數(shù)據(jù)自動(dòng)采集并要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母鱾€(gè)領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)的其它應(yīng)用還相當(dāng)廣泛，如照明、安全、物流管理等。更多的應(yīng)用將取決于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)化組織、應(yīng)用開發(fā)商和用戶的進(jìn)一步設(shè)計(jì)與完善。(2)在工業(yè)領(lǐng)域：ZigBee技術(shù)有助于改進(jìn)公共設(shè)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(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)和性能監(jiān)控。例如危險(xiǎn)化學(xué)成分的檢測、火警的早期檢測和預(yù)報(bào)、照明系統(tǒng)的檢測和控制，生產(chǎn)機(jī)臺的流程控制、高速旋轉(zhuǎn)機(jī)器的檢測和維護(hù)等，都可借助ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達(dá)到工業(yè)與環(huán)境控制之目的。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。這些應(yīng)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(diǎn)在低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少ZigBee網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)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(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動(dòng)機(jī)中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這不僅要求采用無線技術(shù)，而且要求內(nèi)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(shí)還應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。(4)在家庭和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域：家庭自動(dòng)化系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域，作為電子技術(shù)的集成被得到迅速擴(kuò)展。易于進(jìn)入、簡單明了和廉價(jià)的安裝成本等成了驅(qū)動(dòng)自動(dòng)化居家和建筑開發(fā)和應(yīng)用無線技術(shù)的主要?jiǎng)右?。未來的家庭將會?0150個(gè)支持ZigBee模塊被安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機(jī)、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、煙火檢測器、抄表系統(tǒng)、無線報(bào)警、安保系統(tǒng)、HVAC、廚房器械和其它家電產(chǎn)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(dá)到遠(yuǎn)程控制之目的，提供家居生活更朝向自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)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(bào)告的數(shù)據(jù)，這還是2004年3月時(shí)對ZigBee芯片需求量預(yù)測。Chipcon的Chiu曾經(jīng)說過：“ZigBee的主要優(yōu)勢在于該類產(chǎn)品可以聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)還具有可互操作、高可靠及高安全等特性。許多應(yīng)用現(xiàn)在已經(jīng)能夠在不使用電纜的情況下進(jìn)入家庭和建筑當(dāng)中，將來還可通過遠(yuǎn)程控制(甚至可以是手機(jī))來實(shí)現(xiàn)對樓宇自動(dòng)化裝置的管理?！?5)在精確農(nóng)業(yè)：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機(jī)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(gè)傳感器構(gòu)成的比較復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)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(luò)傳遞到中央控制裝置供農(nóng)民決策和參考，這樣農(nóng)民能夠及早而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題，從而有助于保持并提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。(6)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：將借助于各種傳感器和ZigBe