ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討

0引言

工業(yè)領(lǐng)域在現(xiàn)代化的進(jìn)程中通過引入各種先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)成本的下降。在這些技術(shù)中，最典型的就是數(shù)字化技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控早已突破了單回路控制與監(jiān)視的功能。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)整合水平的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)據(jù)接口的開放性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)連接的安全性等方面提出了更高的要求。許多大型企業(yè)其生產(chǎn)地域分散，業(yè)務(wù)分工復(fù)雜，往往設(shè)有一個(gè)或者多個(gè)控制中心，以及大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。這些采集點(diǎn)因分散而需要通過一定的通信手段來實(shí)現(xiàn)與中心控制單元間的數(shù)據(jù)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化。由于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)本身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)支持仍然是個(gè)難題。比如在某些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數(shù)工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器或其它無線電控制設(shè)備的干擾，更有一些高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備根本無法通過電纜來傳輸數(shù)據(jù)信息。而無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無個(gè)人網(wǎng)技術(shù)卻能有效地提供對(duì)這些問題的解決方案。在現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展條件下，無線標(biāo)準(zhǔn)增加了靈活性，并降低了集成專利無線通信的風(fēng)險(xiǎn)。在工控場(chǎng)合的應(yīng)用條件下，短距離的無線傳輸尤其受到矚目。在最近的幾年中，人們不斷探索，形成了當(dāng)今令人眼花繚亂的無線通信協(xié)議和產(chǎn)品。最流行的短距離無線數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)有藍(lán)牙（Bluetooth）、Wi-Fi（IEEE802.11）、IrDA以及極具發(fā)展?jié)摿?、已被眾多業(yè)界認(rèn)可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。

1幾種無線傳輸技術(shù)及其比較

1.1藍(lán)牙（BlueTooth）

藍(lán)牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994年開始研究的一種能使手機(jī)與其附件（如耳機(jī)）之間互相通信的無線模塊。1998年，愛立信、諾基亞、IBM等公司共同推出了藍(lán)牙技術(shù)，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。

它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內(nèi)。Bluetooth列入了IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議棧。為對(duì)語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復(fù)雜性。另外，Bluetooth對(duì)每個(gè)“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中的應(yīng)用。

1.2Wi-Fi（IEEE802.11）

Wi-Fi（WirelessFidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。IEEE802.11的最初規(guī)范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率也是2.4GHz。目前，IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)還沒有被工業(yè)界廣泛接受。

IEEE802.11流行的幾個(gè)版本包括“a”（在5.8GHz波段帶寬為54MBps）、“b”（波段2.4GHz帶寬為11MBps）、“g”（波段2.4GHz帶寬為22MBps）。這種復(fù)雜性為用戶選擇標(biāo)準(zhǔn)化無線平臺(tái)增加了困難。Wi-Fi規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價(jià)等，因此大多數(shù)便攜Wi-Fi裝置都需要常規(guī)充電。這些特點(diǎn)限制了它在工業(yè)場(chǎng)合的推廣和應(yīng)用。

1.3IrDA

紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。IrDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)。IrDA標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率已從115.2kbps逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備（如PDA、手機(jī)）上被廣泛使用。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用成本低廉的特點(diǎn)。IrDA用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在2臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。

1.4ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。另外，它可與254個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)可以包括儀器和家庭自動(dòng)化應(yīng)用設(shè)備。它本身的特點(diǎn)使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。

幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較見表1。

2ZigBee的技術(shù)內(nèi)容及特點(diǎn)

ZigBee是最新確定的商業(yè)名稱，在以前曾被發(fā)起者以“HomeRFlite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用，且復(fù)雜度、成本和功耗均很低的低速率無線連接技術(shù)。

ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國(guó)際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4工作組。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)的要求與民用場(chǎng)合有很大區(qū)別。它通常對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，簡(jiǎn)單方便、可以隨意使用的無線裝置大量涌現(xiàn)，需要布置大量的無線接入點(diǎn)，而低廉的價(jià)格將起著關(guān)鍵作用。所以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)要解決的問題是設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無線收發(fā)信機(jī)。要考慮的核心問題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì)，這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。

2.1ZigBee的特點(diǎn)

①低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

②成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

③時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。

④網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

⑤可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

⑥安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

2.2ZigBee與IEEE802.15.4的聯(lián)系

人們常會(huì)把ZigBee和IEEE802.15.4等同起來，其實(shí)兩者之間還是有所區(qū)別的：

①ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)；

②ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件；

③ZigBee基于IEEE802.15.4射頻標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)Zig-Bee聯(lián)盟通過與IEEE緊密工作來確保一個(gè)集成的完整的市場(chǎng)解決方案；

④802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。

圖1示意了ZigBee的結(jié)構(gòu)和分工。

2.3802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn)

IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。ZigBee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。

2.3.1物理層

IEEE802.15.4提供了圖2所示的兩種物理層的選擇（868/915MHz和2.4GHz），物理層與MAC層的協(xié)作擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，降低了數(shù)字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結(jié)構(gòu)，以便低作業(yè)周期、低功耗地運(yùn)作。

圖2兩種不同的物理層



2.4G物理層的數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps，868/915MHz物理層的數(shù)據(jù)傳輸率分別是20kbps、40kbps。2.4GHz物理層的較高速率主要?dú)w因于基于DSSS方法（16個(gè)狀態(tài)）的準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。來自物理層收斂協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次（按字節(jié)從低到高）組成4位二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)（對(duì)應(yīng)16狀態(tài)組中的一組）被映射成32位偽噪音碼片，以便傳輸。然后采用最小移位鍵控方式MSKI對(duì)這個(gè)連續(xù)的偽噪音碼片序列進(jìn)行調(diào)制，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控（O-QPSK）方式調(diào)制。868/915MHz物理層使用簡(jiǎn)單DSSS方法，每個(gè)PPDU數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)為15的碼片序列（m-序列）所擴(kuò)展。不同的數(shù)據(jù)傳輸率適用于不同的場(chǎng)合，如868/915MHz物理層的低速率換取了較好的靈敏度（-85dbm/2.4G，-92dbm/868，915MHz）和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)；而2.4G物理層的較高速率適用于較高的數(shù)據(jù)吞吐量、低延時(shí)或低作業(yè)周期的場(chǎng)合。

2.3.2介質(zhì)訪問層

ZigBeeMAC層的設(shè)計(jì)需要考慮到降低成本、容易實(shí)現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作及非常低的功耗等要求，為此采用了如下所示的簡(jiǎn)單且靈活的協(xié)議：

①采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)64-bit和16-bit短地址；

②基本網(wǎng)絡(luò)容量可以達(dá)到254節(jié)點(diǎn)；

③可以配置使用大于65，000（216）節(jié)點(diǎn)的本地簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，而且開銷不大；

④網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（FFD）和簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）等3種指定設(shè)備；

⑤簡(jiǎn)化幀結(jié)構(gòu)；

⑥可靠的數(shù)據(jù)傳輸；

⑦聯(lián)合/分離；

⑧AES-128安全機(jī)制；

⑨CSMA-CA通道；

⑩可選的使用信標(biāo)的超級(jí)幀結(jié)構(gòu)。

IEEE802.15.4MAC子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀等4種幀類型。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備間MAC子層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認(rèn)幀不需要接收方的確認(rèn)，而數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)，如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過了CRC校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)送確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)收不到確認(rèn)幀，將自動(dòng)重傳該幀。這就是MAC子層可靠傳輸?shù)幕具^程。MAC層的通用幀格式如圖3所示。



2.3.3網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標(biāo)準(zhǔn)定義了LLC，并且通用于諸如802.3、802.11及802.15.1等ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討周怡P，等802系列標(biāo)準(zhǔn)中，而MAC子層與硬件聯(lián)系較為緊密，并隨不同物理層的實(shí)現(xiàn)而變化。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)，它們協(xié)同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務(wù)。



IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)草案支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括圖4所示的新型網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh）。計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備等要求低延遲等待接入的應(yīng)用一般采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而其它一些應(yīng)用，如周邊安全等可能要求大面積網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。多址的形式包括IEEE標(biāo)準(zhǔn)64位和短地址8位。

3結(jié)束語

ZigBee是一個(gè)針對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)、建筑自動(dòng)化等應(yīng)用的短距離無線技術(shù)規(guī)范。ZigBee是近距離、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)，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為滿足小型、廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。它按高度省電要求設(shè)計(jì)，因此低功耗和較低數(shù)據(jù)傳輸率意味著不會(huì)和Wi-Fi等其它無線技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，而是作為傳感路網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用的性價(jià)比較高的方案。業(yè)界對(duì)它在上述領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展充滿信心。