ZigBee无线通信协议的技术支持及其应用前景.doc

网络和通信技术的发展，使人们对无线通信的要求越来越高，短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。目前一种新的无线通信技术引起了人们的关注，这就是所谓的“ZigBee”技术。ZigBee这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。有了ZigBee这种低速率通信技术，其所支持的应用更贴近人们的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4标准、ZigBee技术及其支持、应用前景和应用开发等方面的问题作一介绍。一ZigBee技术及其特征1.ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。IEEE802.15.4在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种，各频段可使用的信道分别有16、10、1个，各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s之传输速率，其传输范围介于10100M之间。由于ZigBee使用的2.4GHz、915MHz和868MHz频段是免费开放的，故已有多种无线通信技术使用，为避免被干扰，故在各个频段皆采用直接序列展频(DSSS)技术，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能。IEEE802.15.4在媒体存取控制(MAC)层方面，主要是沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作；若产生碰撞，则稍后重新再传。这种MAC层的设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可实现非常有效的功耗管理。IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，而由ZigBee联盟所主导的ZigBee标准中，定义了网络层、安全层、应用层和各种应用产品的资料或行规，并对其网络层协议和API进行了标准化。网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网(WPAN)标准不同的地方。在网络层方面，其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。在网络层中，ZigBee定义了3种角色：第一个是网络协调者，负责网络的建立，以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。在同一个WPAN上，可以存在65536个ZigBee装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息。为了在省电、复杂度、稳定性与实现难易度等因素上取得平衡，网络层采用的路由算法共有3种：以AODV算法建立随意网络的拓扑架构(MeshTopology)；以摩托罗拉Cluster-tree算法的方法建立星状的拓扑架构(StarTopology)；以及利用广播的方式传递信息。因此，人们可根据具体应用需求，选择适合的网络架构。为了降低系统成本，IEEE定义了两种类型的装置：全功能装置(FFD)、简化功能装置(RFD)，可构成多种网络拓扑结构。在组网方式上，ZigBee主要采用了图1所示的3种组网方式。一种为星型网，网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多可达65535个从属装置，而网络协调者必须是FFD，由它来负责管理和维护网络；另一种为簇状形网，可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络；再有一种为网状网，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据ADhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。对于应用层，主要有3个部分，与网络层连接的APS(ApplicationSupport)、ZDO(ZigBeeDeviceObject)、以及装置应用Profile。ZigBee的应用层架构，最重要的是已涵盖了服务(Service)的观念，所谓的服务，简单来看就是功能。对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN后，应用层的ZDO会发动一系列初始化的动作，先通过APS做装置搜寻(DeviceDiscovery)以及服务搜寻(ServiceDiscovery)，然后根据事先定义好的描述信息(Description)，将与自己相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表(BindingTable)中，之后，所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询装置的资料或行规。而装置应用Profile则是根据不同的产品而设计出不同的描述信息(Description)、以及ZigBee各层协议的参数设定。在应用层，开发商必须决定是采用公共的应用类还是开发自己专有的类。ZigBeeV1.0已经为照明应用定义了基本的公共类，并正在制定针对HVAC、工业传感器和其他传感器的应用类。任何公司都可以设计与支持公共类的产品相兼容的产品。例如，一个采用公共ZigBee照明类的荧光灯镇流器供应商可与采用相同类的第三方灯开关调光器实现互操作。开发人员可对该公共类加入他们自己的看法和感觉。ZigBee设备采用应用对象进行建模，这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其他设备的通信。安全性一直是个人无线网络中的极其重要的话题。安全层并非单独独立的协议，ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE802.15.4的安全元素。为了提供灵活性和支持简单器件，IEEE802.15.4在数据传输中提供了3级安全性：第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可选择这种方式来转移数据；对于第二级安全性，器件可使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码，如ZigBee的MAC层使用了一种被称为高级加密标准(AdvancedEncryptionStan-dard，AES)的算法进行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全机制，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。选择AES的原因主要是考虑到在计算能力不强的平台上实现起来较容易，目前大多数的RF芯片，都会加入AES的硬件加速电路，以加快安全机制的处理。另外，ZigBeeAlliance也负责Zig-Bee产品的互通性测试与认证规格的制定。ZigBeeAlliance会定期举办ZigFest活动，让发展ZigBee产品的厂商有一个公开场合，能够互相测试互通性。而在认证部分，ZigBeeAlliance共定义了3种层级的认证：第一级(Level1)是认证PHY与MAC，与芯片厂有最直接的关系；第二级(Level2)是认证ZigBeeStack，所以又称为ZigBee-compliantPlatformCertification；第三级(Level3)是认证ZigBee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上ZigBee的标志，所以也称为ZigBee-LogoCertification。2.ZigBee的特点和传输数据类型根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列特性：(1)功耗低、时延短、实现简单。装置可以在使用电池的驱动下，运行数月甚至数年，低功耗意味着较高的可靠性和可维护性，更适合体积小的众多应用；非电池供电的装置同样需要考虑能量的问题，因为功耗还关系着成本等一系列问题。ZigBee传输速率低，使其传输信息量亦少，所以信号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，这对省电极为有利。另外，在工作与睡眠模式之间的转换时间短，一般睡眠激活时间只有15ms，而装置搜索时间为30ms。(2)可靠度高。ZigBee的MAC层采用碰撞避免(CSMA/CA)机制，此机制无疑能大幅提高系统信息传输的可靠度。(3)高度扩充性。每个ZigBee网络最多可支持255个装置，其中一个是主装置，其余则是从装置。若通过网络协调器，则整体网络最多可达到65000多个ZigBee网络节点。ZigBee通过使用IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层支持几乎任意数目的装置数目，这一点对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。(4)装置、安装、维护的低成本。对用户来说，低成本意味着较低的装置费用、安装费用和维护费用。ZigBee装置可以在标准电池供电的条件下(低成本)，而不需要任何重换电池或充电操作(低成本、易安装)。ZigBee在其内部自动可配置和网络装置的冗余等方面的简化更是提供了较低的维护费用。另外电池供电可使装置的体积和面积都得到有效的降低，从而降低一系列与之相关的成本。(5)协议简单，国际通用。ZigBee协议栈只有Bluetooth或其它IEEE802.11的1/4或更小，这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。IEEE802.15.4的PHY层的使用可以支持欧洲的868MHz的频段、全球美洲和澳洲的915MHz的频段和现在已经被广泛使用的2.4GHz的频段，这使得该协议具有旺盛的生命力。(6)自配置。802.15.4在媒体接入控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。自配置不仅能自动建立起一个星状网，而且还允许创建自配置的对等网。在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符(ID)，为器件指配16位短地址，设定电池寿命延长选项等。从802.15.4到ZigBee不难发现，这些标准的目的，就是希望以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和RF遥控等领域。在ZigBee网络中传输的数据通常分为3类：周期性数据，如传感器中传递的数据，数据速率是根据不同的应用定义的；间断性数据，如控制电灯开关时传输的数据，数据速率是由应用或外部激励定义的；还有反复性的低反应时间的数据，如无线鼠标传输的数据，数据速率根据分配的时隙定义的。因此，凡是只需传递少量信息，例如：控制(Control)或是事件(Event)的信息传递，都是ZigBee容易发挥的战场。3.ZigBee网络的形成一个ZigBee网络的形成，必须由FFD率先担任网络协调器，由协调器进行扫描搜索以发现一个未用的最佳信道来建立网络；再让其它的FFD或是RFD加入这个网络，需要注意的是RFD只能与FFD连结。事实上，人们可根据装置在网络中的角色和功能，预先对装置编制好程序。如协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来组建一个网络；路由器(一个网络中的Mesh装置)的功能是通过扫描搜索，以发现一个激活的信道并将其连接，然后允许其它装置连接；而末端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。二ZigBee的适用条件和前景ZigBee支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域，ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子装置、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用装置控制、电脑外设、玩具和游戏机等。1.采用ZigBee技术的条件通常符合下列条件之一的应用，均可考虑采用ZigBee技术：装置成本很低、传输的数据量很小；装置体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；没有充足的电源支持，只能使用一次性电池；频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；要求数据传输的可靠性、安全性高；需要较大范围的通信覆盖，网络中的装置非常多，但仅仅用于监测或控制；使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。2.应用前景展望(1)在传感器网络领域：传感器网络被称作为未来十大技术之一，由传感器和ZigBee装置构成监控网络，可自动采集、分析和处理各个节点的数据，适合于农业、工业、医学、军事等需要数据自动采集并要求网络传输的各个领域。ZigBee技术的其它应用还相当广泛，如照明、安全、物流管理等。更多的应用将取决于业界标准化组织、应用开发商和用户的进一步设计与完善。(2)在工业领域：ZigBee技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制，它也能够跟踪其它系统以实现预防性维护和性能监控。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、照明系统的检测和控制，生产机台的流程控制、高速旋转机器的检测和维护等，都可借助ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制之目的。利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。(3)在汽车上：主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这不仅要求采用无线技术，而且要求内置的无线通信装置使用的电池寿命长，最好超过或等于轮胎本身的寿命；同时还应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。(4)在家庭和楼宇自动化领域：家庭自动化系统和楼宇自动化领域，作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。未来的家庭将会有50150个支持ZigBee模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械和其它家电产品中，通过ZigBee收集各种信息，传送到中央控制装置，或通过遥控达到远程控制之目的，提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化，以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。图2是来自WestTechnologyResearchSolusion分析报告的数据，这还是2004年3月时对ZigBee芯片需求量预测。Chipcon的Chiu曾经说过：“ZigBee的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高可靠及高安全等特性。许多应用现在已经能够在不使用电缆的情况下进入家庭和建筑当中，将来还可通过远程控制(甚至可以是手机)来实现对楼宇自动化装置的管理。”(5)在精确农业：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械装置，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了由成千上万个传感器构成的比较复杂的ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的装置来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由ZigBee网络传递到中央控制装置供农民决策和参考，这样农民能够及早而准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。(6)在医学领域：将借助于各种传感器和ZigBe