ZigBee無線網路技術及應用

一、引言
        長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以後，曾讓工業控制、家用自動控制、玩具製造商等業者雀躍不已，但是Bluetooth的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意願。如今，這些業者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規範是一種經濟、高效、低數據速率(<250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無線技術，用於個人區域網和對等網狀網路。它是ZigBee應用層和網路層協議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網路技術，它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用於近距離無線連接。它依據802.15.4標準，在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。這些感測器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個感測器傳到另一個感測器，所以它們的通信效率非常高。

        一般而言，隨著通信距離的增大，設備的複雜度、功耗以及系統成本都在增加。相對於現有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由於ZigBee技術的低數據速率和通信範圍較小的特點，也決定了ZigBee技術適合於承載數據流量較小的業務。所以ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。

二、IEEE 802.15.4和ZigBee介紹
       IEEE 無線個人區域網(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎。802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋範圍在10米左右的低速連接，可廣泛用於交互玩具、庫存跟蹤監測等消費與商業應用領域。感測器網路是其主要市場對象。

2.1 802.15.4協議架構及其技術特點
        IEEE802.15.4滿足國際標準組織(ISO)開放系統互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層(如圖1所示)，表1中概括了802.15.4的一些特點：
 
IEEE802.15.4 的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業務相關的會聚子層）協議承載IEEE802.2類型一的LLC標準，同時允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務。表2列出了IEEE802.15.4的LLC層和MAC層主要功能：
 
        IEEE802.15.4 定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基於DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數據包格式，區別在於工作頻率、調製技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助於ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過採用高階調製技術能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助於獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小,因此可以降低對接收機靈敏度的要求,獲得較遠的有效通信距離,從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。
表1中概括了802.15.4的一些特點：
 

2.2 ZigBee技術概述
      ZigBee 是一組基於IEEE批准通過的802.15.4無線標準研製開發的，有關組網、安全和應用軟體方面的技術標準。它不僅只是802.15.4的名字。 IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，ZigBee聯盟對其網路層協議和API進行了標準化。完全協議用於一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K 位元組或者作為Hub或路由器的協調器的32K位元組。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網路，對路由傳輸的數目則沒有限制。 ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網路的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

       完整的Zigbee協議套件由高層應用規範、應用會聚層、網路層、數據鏈路層和物理層組成。網路層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。

       應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網路上，具體而言包括：

1. 安全與鑒權；
2. 多個業務數據流的會聚；
3. 設備發現；
4. 業務發現。

網路層將主要考慮採用基於ad hoc技術的網路協議，應包含以下功能：

1. 通用的網路層功能：拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯業務，包含了定址、路由和安全；
2. 同IEEE802.15.4標準一樣，非常省電；
3. 有自組織、自維護功能，以最大程度減少消費者的開支和維護成本。

相對於常見的無線通信標準，Zigbee協議套件緊湊而簡單，其具體實現的要求很低，以下是Zigbee協議套件的需求估計：

1. 8位處理器，如80c51；
2. 協議套件軟體需要32kbytes的ROM；
3. 最小協議套件軟體大約4kbytes的ROM；
4. 網路主節點需要更多的RAM，以容納網路內所有節點的設備信息、數據包轉發表、設備關聯表、與安全有關的密鑰存儲等。

2.3 整個協議構架
        在標準制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務小組共同制定，其中實體層、MAC層、資料鏈結層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發展由IEEE所主導，並共同針對ZigBee Protocol Stack的發展進行研討，而未來還能依系統客戶的需求，為不同應用修正其所需之應用介面（如圖二所示）：
 

2.4 IPV6 Over 802.15.4
         ZigBee聯盟希望建立一種可連接每個電子設備的無線網。它預言ZigBee將很快成為全球高端的無線技術，到2007年將達到30億節點。具有幾十億個節點的網路將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是 ZigBee的路由選擇不依賴於IPv6。IPv6採用128位地址長度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實際可為整個地球的每平方米面積分配1000多個地址。IPv6在設計過程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問題以外，還考慮了在IPv4中解決不好的其他問題，如端到端IP連接、服務質量（QoS）、安全性、多播、移動性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結合將是以後研究發展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft，其標準也不久將出台。

三、ZigBee技術的優勢及應用
3.1 ZigBee技術的主要優勢及其與藍牙和Wi-Fi的比較：
      IEEE 802.15.4和ZigBee從一開始就被設計用來構建包括恆溫裝置，安全裝置和煤氣讀數表等設備的無線網路。這是由其主要技術優勢決定的：

1. 數據傳輸速率低：只有10k位元組/秒到250k位元組/秒，專註於低傳輸應用。
2. 功耗低：在低耗電待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優勢。
3. 成本低：ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且免收專利費。
4. 網路容量大：每個ZigBee網路最多可支持255個設備。
5. 時延短：通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。
6. 安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，採用AES-128加密演算法。
7. 有效範圍小：有效覆蓋範圍10～75米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。
8. 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。

      與之相反，藍牙技術基本上只是設計作為有線的替代品，經常是為手機和附近的耳機或PDA聯網用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不用說幾年了；

      一般情況下，藍牙設備需要人手配置和維護網路連接；它可以用來有效地處理8個設備（一個主設備和7個從設備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。

      而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網路的很好的解決方案，但它的功耗卻非常高。

3.2 可能應用及市場發展：
       ZigBee 的出發點是希望能發展一種易布建的低成本無線網路，同時其低耗電性將使產品的電池能維持6個月到數年的時間。在產品發展的初期，將以工業或企業市場的感應式網路為主，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場拓展至家庭中的應用。通常符合以下條件之一的應用，就可以考慮採用ZigBee技術：

1. 設備成本很低，傳輸的數據量很小；
2. 設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；
3. 沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池；
4. 頻繁地更換電池或者反覆地充電無法做到或者很困難；
5. 需要較大範圍的通信覆蓋，網路中的設備非常多，但僅僅用於監測或控制。

根據ZigBee Alliance的觀點，一般家庭可將ZigBee應用於以下裝置：

1. 空調系統的溫度控制器, 燈光、窗帘的自動控制；
2. 老年人與行動不便者的緊急呼叫器；
3. 電視與音響的萬用遙控器, 無線鍵盤、滑鼠、搖桿，玩具；
4. 煙霧偵測器；
5. 智慧型標籤。

四、小結
        本文闡述了ZigBee技術及IEEE802.15.4標準及其相關應用，討論了它們的關係和相對其它技術的優點，並對其在家庭無線通信網中的應用前景進行了分析和展望。ZigBee技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在於豐富而便捷的應用，而不是技術本身。隨著正式版本協議的公布，更多的注意力和研發力量將轉到應用的設計和實現、互聯互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的內置式ZigBee 功能的設備進入我們的生活，並將極大地改善我們的生活方式和體驗。