一種新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)Zigbee

引言

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，往往需要相互間的通信，以交換測(cè)量數(shù)據(jù)和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或總線方式，如rs485、can、modbus等。隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線連接的場(chǎng)合，無(wú)線通信技術(shù)便有了它的用武之地。

目前，市場(chǎng)上已有多家公司推出應(yīng)用于近距離通信的rf芯片產(chǎn)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(yīng)用也采用了這類技術(shù)，但它們大部分只提供解決無(wú)線通信的射頻通道，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（或采用自己的專用標(biāo)準(zhǔn)）來(lái)制定mac層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對(duì)通信的控制軟件完全依賴目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(duì)組網(wǎng)應(yīng)用更可能存在問(wèn)題；不同廠家的產(chǎn)品不具備互操作能力，不具有通用性。

zigbee是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它出現(xiàn)的時(shí)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(jìn)入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢(shì)頭十分明顯，已有chipcon、freescale、 compxs、ember四家公司在今年4月通過(guò)了zigbee聯(lián)盟對(duì)其產(chǎn)品所做的測(cè)試和兼容性驗(yàn)證。預(yù)計(jì)從2006年開(kāi)始，基于zigbee的無(wú)線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會(huì)迅速得到普及和高速發(fā)展。

1 zigbee技術(shù)及應(yīng)用

1.1 主要技術(shù)特點(diǎn)

zigbee一詞源自蜂蜜群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳zigzag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的溝通。人們借此稱呼一種專著于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、亦包含寓意。

zigbee技術(shù)并不是完全獨(dú)有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、mac層和鏈路層采用了ieee802.15.4（無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（api）由zigbee聯(lián)盟進(jìn)行了制定，整個(gè)協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

zigbee是以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱為精簡(jiǎn)功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備（也稱為協(xié)調(diào)器），如圖2所示。

zigbee的特點(diǎn)突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個(gè)方面：

①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、wifi可工作數(shù)小時(shí)。

②低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32kb代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4kb代碼，而且zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。

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(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)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(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

⑤短時(shí)延。zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能，相比較，藍(lán)牙需要3～10s、wifi需要3s。

⑥高容量。zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理；最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦高安全。zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單（acl）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（aes－128）的對(duì)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(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ism）頻段。2.4ghz（全球）、915mhz（美國(guó)）和868mhz（歐洲）。

1.2 zigbee產(chǎn)品應(yīng)用

zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設(shè)備、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護(hù)（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計(jì)量及報(bào)警）消費(fèi)類電子設(shè)備的遙控裝置，pc外設(shè)的無(wú)線連接等領(lǐng)域。

一般而言，滿足如下一些特點(diǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合，是zigbee應(yīng)用極具優(yōu)勢(shì)的地方：

①需要無(wú)線通信交換信息的低成本裝置；

②數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>

③功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長(zhǎng)時(shí)間；

④需要多個(gè)（尤其是大量）設(shè)備組成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，主要進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的場(chǎng)合。

依據(jù)zigbee的聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設(shè)想，產(chǎn)品應(yīng)提供一站式的解決方案，以方便應(yīng)用，使那些不熟悉rf技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供rf的無(wú)線信道解決方案，同時(shí)其內(nèi)置的協(xié)議棧將zigbee的通信、組網(wǎng)等無(wú)線溝通方面的工作已完全由產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行應(yīng)用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡(jiǎn)化，完成zigbee協(xié)議的內(nèi)嵌處理器一般可采用低價(jià)低功耗的8位mcu。

chipcon公司推出的高度整合的系統(tǒng)級(jí)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(zhuǎn)換器（adc），定時(shí)器、aes－128協(xié)同處理器、看門(mén)狗、32khz晶振休眠定時(shí)器、上電復(fù)位和掉電檢測(cè)電路，以及21個(gè)可編程i/o引腳；使這寬產(chǎn)品就是一個(gè)具備zigbee功能的soc，可用于各種zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。

此外、不少?gòu)S商也推出了zigbee的產(chǎn)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并在一個(gè)配套的mcu上實(shí)現(xiàn)zigbee的協(xié)議棧；傳輸速率為250kbps，采用正交qpsk調(diào)制和直接序列擴(kuò)頻編碼，通過(guò)1個(gè)四線串行接口與mcu通信，helicomm公司推出的ip－link 1200 zigbee開(kāi)發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4ghz射頻組件、低功耗的8位微控制器、zigbee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長(zhǎng)天線，每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率；支持最新的rs232－mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀和多次跳接（multihop）無(wú)限網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達(dá)38.4kbps。

可以看出，一些國(guó)際著名的半導(dǎo)體廠商已在積極推出zigbee產(chǎn)品，有望在今后一段時(shí)間通過(guò)商業(yè)化推進(jìn)，使zigbee產(chǎn)品應(yīng)用得到極大擴(kuò)展，但同時(shí)，也有一些rf廠商在發(fā)展自己的專有產(chǎn)品，如zensys公司就積極推進(jìn)它的z－wave無(wú)線協(xié)議，尤其在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域與其爭(zhēng)奪市場(chǎng)；另外，dust公司堅(jiān)持使用自己的技術(shù)；ember公司雖然大舉進(jìn)軍zigbee領(lǐng)域，但也計(jì)劃繼續(xù)提供自己的專有embernet技術(shù)?？梢哉f(shuō)，zigbee的應(yīng)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(chǎng)的廣泛認(rèn)同。

2 與其他幾種無(wú)線通信技術(shù)的比較

目前，市場(chǎng)上近距離無(wú)線通信技術(shù)主要有無(wú)線局域網(wǎng)wifi、藍(lán)牙和一些專用標(biāo)準(zhǔn)（如ad－h(huán)oc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開(kāi)拓市場(chǎng)和應(yīng)用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如無(wú)線（usb、超寬帶通信uwb和wimax等，下面對(duì)這些技術(shù)作一些簡(jiǎn)要介紹和比較。

藍(lán)牙技術(shù)發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個(gè)年頭，一直受芯片價(jià)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(wèn)題的困擾。目前主要應(yīng)用在無(wú)線耳機(jī)等不需要很高傳輸帶寬的領(lǐng)域，且互通性方面也存在問(wèn)題。

wifi在intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領(lǐng)市場(chǎng)；采用ieee802.11b標(biāo)準(zhǔn)，使用2.4ghz直接序列擴(kuò)頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11mbps，并可根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱把傳輸率調(diào)整為5.5mbps、2mbps和1mbps帶寬；采用最新的802.11g時(shí)，速率可達(dá)54mbps，是目前應(yīng)用最廣的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。

借助usb在pc上的廣泛應(yīng)用，無(wú)線usb也受intel、hp、微軟等幾家pc領(lǐng)域大公司的力推，已于近期制定了無(wú)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(nèi)在pc周邊設(shè)備的無(wú)線連接上得到大量應(yīng)用。

uwb是一種未來(lái)短距離寬帶無(wú)線傳輸技術(shù)。由于未采用通常無(wú)線收發(fā)中的載波調(diào)制技術(shù)，因此它不需要混頻、過(guò)濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術(shù)陣營(yíng)競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)期的通信距離5～10m，速率甚至可高達(dá)1gbps，非常適合于家用消費(fèi)電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

作為wifi下一代技術(shù)的wimax，被設(shè)想成一項(xiàng)無(wú)線城域網(wǎng)接入技術(shù)，在傳輸距離和速度方面均勝過(guò)wifi，最高接入速率為70mbps，信號(hào)傳輸半徑可達(dá)到50km，圖4是以上幾種無(wú)線通信技術(shù)的速率/距離比較。

從圖4中看，主要無(wú)線技術(shù)都集中在1mbps以上的速率，新的標(biāo)準(zhǔn)還在追求更快的速率；而zigbee恰恰是填補(bǔ)低速率端無(wú)線通信技術(shù)的空缺，與其他標(biāo)準(zhǔn)在應(yīng)用上幾乎無(wú)交叉。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，低速率、低成本的無(wú)線通信在自動(dòng)控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場(chǎng)。從現(xiàn)今的市場(chǎng)看、每一種無(wú)線通信技術(shù)的產(chǎn)品都有各自的一些特點(diǎn)，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時(shí)間內(nèi)，雖然會(huì)有一些競(jìng)爭(zhēng)，但仍會(huì)有多種無(wú)線通信技術(shù)的產(chǎn)品在市場(chǎng)上共存。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)線組網(wǎng)通信是當(dāng)今工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、家庭自動(dòng)化等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，而低功耗、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)要求令zigbee應(yīng)運(yùn)而生；高度集成化的軟、硬件架構(gòu)和產(chǎn)品，也使應(yīng)用人員如虎添翼，更快、更方便地進(jìn)行最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)。這些顯示出zigbee具有超強(qiáng)的生命力和優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景十分看好，值得廣大嵌入式應(yīng)用的技術(shù)人員關(guān)注，并加入到它的應(yīng)用行列。