Zigbee技术应用文献调研

./Zigbee技术应用文献调研雅丹天地物联网技术开发公司6目录TOC\o"1-3"\uZigbee技术应用文献调研1第一章ZIGBEE概述41.1ZIGBEE的定义和特点41.1.1Zigbee简介41.1.2Zigbee技术特性51.2ZIGBEE关键部件51.2.1网络射频芯片51.2.2微控制器〔MCU 91.2.3ZIGBEE协定堆栈〔ZIGBEE软件111.3ZIGBEE与其它近距离通信技术的比较121.3.1蓝牙121.3.2WIFI 171.3.3无线USB 201.3.4UWB 221.3.5WIMAX 231.4ZIGBEE国际标准271.4.1ZIGBEE协议构成27技术标准的发展281.4.3ZIGBEE标准的发展32第二章ZIGBEE发展现状及趋势332.1ZIGBEE联盟332.2全球ZIGBEE发展趋势332.2.1全球ZIGBEE市场概况342.2.2全球ZIGBEE产品供需情况342.2.3全球ZIGBEE应用市场潜力352.3中国ZIGBEE发展趋势352.3.1华立仪表362.3.2华为36顺舟网络科技37蓝科37博控自动化技术38第三章ZIGBEE应用403.1ZIGBEE的应用领域403.1.1在工业领域的应用403.1.2在精确农业上的应用433.1.3在家庭和楼宇自动化领域45在医学领域473.1.5在消费和家用自动化市场473.1.6在道路指示、方便安全行路方面48在汽车工业方面483.2ZIGBEE应用实例483.2.1基于ZIGBEE技术的无线点餐系统通信解决方案483.2.2基于ZIGBEE技术的管道监测无线数据传输网络493.2.3基于ZIGBEE技术的无线三表远程抄表系统513.2.4基于ZIGBEE技术的水文水利监测无线数据传输网络553.2.5ZIGBEE智能交通控制系统无线通信方案573.2.6医院对病患、监护设备及设施进行医疗和健康监控59无线Mesh全球两大应用案例63在石化工业和油田中的应用66第四章ZIGBEE相关厂商研究744.1微控制器、射频收发器组件部分的生产厂商754.1.1CHIPCON 754.1.2HELICOMM 774.1.3飞思卡尔784.1.4捷力半导体<JENNIC> 804.1.5ATMEL 824.1.6SILICONLABS 844.1.7EMBER 854.1.8INTEGRATIONASSOCIATES 854.1.9达盛电子864.1.10OKI 864.1.11RADIOPULSE 894.2ZIGBEE协定堆栈的厂商914.2.1MICROCHIP 914.2.2资策会网络多媒体研究所924.2.3AIRBEE 924.2.4EMBER 934.3ZIGBEE模组944.3.1DIGIINTERNATIONAL 944.3.2华宝通讯944.3.3美国PANASONIC电子仪器公司95参考文献：96第一章ZIGBEE概述1.1ZIGBEE的定义和特点ZigBee技术是一种应用于短距离围,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee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形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为"HomeRFLite"、"RF-EasyLink"或"FireFly"无线电技术,目前统一称为ZigBee技术。Zigbee简介Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作"HomeRFLite"或"FireFly"无线技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,因此它们的通信效率非常高。最后,这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。Zigbee的基础是IEEE802.15.4,这是IEEE无线个人区域网<PersonalAreaNetwork,PAN>工作组的一项标准,被称作IEEE802.15.4<Zigbee>技术标准。Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。Zigbee技术特性Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：＊数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输应用；＊功耗低：在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势；＊成本低：因为Zigbee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。＊时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间；＊安全：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时可以灵活确定其安全属性；＊网络容量大：每个Zigbee网络最多可支持255个设备,也就是说,每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接；＊优良的网络拓扑能力：ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围；＊有效围小：有效覆盖围10～75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境；＊工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz<全球>、868MHz<欧洲>及915MHz<美国>,均为免执照频段。1.2ZIGBEE关键部件网络射频芯片射频收发器是支持zigBee技术的平台解决方案的一个组件。处理设备<例如MCU或DSP>必须集成IEEE802.15.4MAC和ZigBee软件,才能构成完整的解决方案。此处以飞思卡尔ZigBee射频芯片MC13192的原理与应用为例子进行介绍。MC13192是飞思卡尔公司提供的符合IEEE802.15.4标准的带数据调制解调器的射频收发芯片。该芯片性能稳定,功耗很低,采用经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件。更重要的是,该芯片和飞思卡尔其他的ZigBee产品组合在一起可以搭建成飞思卡尔ZigBee－Ready平台,利用该平台进行ZigBee相关方面的开发工作可以有效地缩短工程师的开发时间,降低开发成本。主要特点：MC13192特点如下：<1>具有16个信道；<2>典型的发射功率为0dBm,最大发射功率达到3.6dBm；<3>采用DSSS扩频通信技术,最大速率为250Kbps；<4>在分组错误率为1%的情况下,其接收灵敏度达到-92dBm<典型值>；<5>7个通用输入/输出端口<GPIO>。整个ZigBee节点采用AAA电池供电。MC13192符合IEEE802.15.4标准,它选择的工作频率是2.405～2.480GHz,数据传输速率为250kbps,采用O-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2.4GHz收发器带有一个数据调制解调器,可以在ZigBee技术应用中使用,它还具有一个优化的数字核心,有助于降低MCU处理功率,缩短执行周期。部集成4个定时比较器,使其可以和性能较低、价格低廉的MCU配合使用以降低成本,广泛的中断维修服务使得MCU编程更为容易；芯片和MCU之间使用串行外围接口,使得在MCU选择上具有更大的余地。芯片集成的连接质量和电源检测功能可以为组网和维护提供必要的数据。除此之外,芯片还具有以下的特性：全频谱编码和译码；经济高效的CMOS设计,几乎不需要外部组件；可编程的时钟,供基带MCU使用；标准的4线SPI〔以4MHz或更高频率运行；扩展的围性能〔使用外部低噪音放大器功率放大器；可编程的输出功率,通常为0dB；超低功率模式；7条GPIO线路；芯片采用2.7V供电,接收状态耗电37mA,发射状态耗电30mA,功耗很低；QFN-32封装,尺寸为5mm×5mm,是同类芯片中尺寸最小的。图1部结构芯片部结构如图1所示。芯片主要由模拟接收发射部分、数字调制解调部分、片频率合成器、电源管理部分以及与MCU接口部分组成。从天线接收进来的射频信号经过两次下变频之后变成两路正交信号〔I和Q,片集成的CCA〔空闲信道评估模块根据接收到的基带信号的能量进行空闲信道评估检测。CCA和前端的LNA〔低噪声放大器都要受到AGC〔自动增益控制的控制。数字接收端通过差分码片检测〔DCD后经过相关器对直接序列扩频DSSS进行解扩,经过符号同步检测和包处理以后最终得到接收到的数据。通过SPI接口传送到MCU。要发送的128字节信号由MCU通过SPI接口传送到MC13192的发送缓冲器中,头帧和帧检测序列由MC13192产生,根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频,扩频以后的信号送到相位开关调制器上以O-QPSK的方式通过直接上变频调制到载波后通过天线发射出去。芯片还集成频率合成器、电源管理模块、定时器、中断判决器以及用于接收、发射的存储器电路。图2应用电路图2是MC13192应用于ZigBee网络终端设备典型应用电路。要发送的信号从MCU通过SPI口传送到MC13192中,经过扩频O-QPSK调制到载波后通过发通路从天线发射出去。从天线来的射频信号经过收通路传送到MC13192中,经过解调、解扩得到原始的数据,再通过SPI接口传送到MCU,MCU同时提供对收发通路切换的控制。电路中的MC13192射频信号采用差分输入输出的方法,天线采用的是与输入输出相匹配的平衡印制线天线,当然,从实际设计需要出发也可以使用芯片天线来替代印制线天线。从天线接收的射频信号通过由L3和C12组成的窄带匹配网络和单刀双掷开关μPG2120TK-E2后传送到变压器Z1上,由Z1将其分解为两路差分信号传送到MC13192芯片的两个射频信号输入管脚RIN_M和RIN_P上；要发射的两路射频信号从芯片的两个射频信号输出端PAO_P和PAO_M输出,经过变压器Z2后合成一路信号,通过单刀双掷开关μPG2120TK-E2和由L3和C12组成的窄带匹配网络后传送到天线上发射出去。需要注意的是芯片的PAO+和PAO-管脚需要和芯片的VDDA相连,在电路中是通过变压器Z2将它们相连的。考虑到晶体振荡器对通信质量的影响,在印制板排版时应将晶体振荡器的位置尽可能地靠近MC13192芯片的XTAL1和XTAL2管脚。电容C5、C6的值应该与晶体振荡器负载电容相一致,MC13192芯片指定的晶振频率为16MHz,稳定度需要在±40ppm之间。芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO管脚是芯片部电源管理部分的输出,用来向芯片的其他部分供电。在实际应用中对这几个输出的旁路电容的要求比较严格,在设计印制板的时候同样应该将它们的旁路电容的位置尽量靠近相应的输出管脚。芯片通过标准的四线SPI接口与MCU相连,SPI接口可以在8MHz或者更小的频率下工作就可以满足芯片的使用要求。芯片可以通过CLK0管脚向MCU输出时钟信号,该时钟是通过SPI接口编程控制的,它的默认值为32.768Hz〔16MHz/488。将芯片的管脚与MCU的一个GPIO相连使得MCU可以很容易地控制芯片的工作模式。当然也可以通过开关等外加电路来对工作模式的控制进行扩展以满足实际需要。在实例中,MCU通过一个GPIO口和芯片的RXTXEN管脚相连,用来初始化芯片的收发操作。芯片也可以将该管脚设置为高电平,通过SPI编程来初始化芯片的收发操作。MCU通过一个GPIO口和芯片的管脚相连,用以在必要的时候对芯片进行复位操作。微控制器〔MCUMCU的选取：MAC软件作为ZigBee平台解决方案的一部分,符合协议标准,其体积很小,这样将其集成到MCU上只占很小的存储空间。该软件具有以下特点：可支持对等的、星状和网状网络拓扑；可支持可选的上层Z-StackZigBee;省电模式〔休眠、应用可配置；安全性好；载波侦听多点接入/冲突,避免〔CSMA-CA通道访问；可选的带信标的超帧结构；有保证的时间槽〔GTS机制。MC13192用于ZigBee-Ready平台飞思卡尔为终端产品制造商推出一站式ZigBee-Ready平台。这种可升级的解决方案致力于为制造商提供完善的产品和支持服务,与通过多个供应商获得产品和支持相比,这种一站式服务能够帮助客户减少开发时间和研发成本。该ZigBee-Ready平台包括工作在2.4GHz频段的射频数据调制解调器MC13192、IEEE802.15.4兼容性MAC软件,以及一颗低电压、低功耗的MCU-HCS08系列芯片。图3ZigBee-Ready平台解决方案传感器应用的框图如图3所示。在图示的例子中,MCU选择的是MC9S08GT16,其性能很好,而功耗却很低,传感器根据需要选择,可以是温度传感器、压力传感器、加速度传感器等。由传感器输出的模拟信号经过MCU的8通道10位ADC变换后输入到MCU,MCU通过SPI口和MC13192连接将从传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来,通过SPI传送到MCU上,经过MCU的判断处理后通过GPIO口传送到传感器上,以完成对传感器的控制。同时MCU完成对MC13192收发控制和所需要的MAC层操作。ZigBee技术是建立在IEEE802.15.4的基础之上的。802.15工作组针对个人局域网络〔LR-WPAN制定了802.15.4标准,它把低能耗、低速率、低成本作为制定的目标,而这正好符合无线传感器网络的某些特殊要求。于是ZigBee联盟在IEEE制定的低级MAC层和物理层协议的基础上对网络层协议和API进行了标准化,而且,为了信息的需要,还开发了安全层,这最终形成了ZigBee技术的标准。ZigBee的物理层和MAC层这两层是由硬件实现的〔如chipcon公司的CC2420芯片；网络层、安全层、应用层是由ZigBee联盟所制定的标准组成的。对于一个开发者来说,只要对应用层接口有很深的理解就足够支持他在应用层的开发,这使得开发者不必花费大量时间来关注底层的实现细节。FREESCAL公司,推销的是自己的68系列处理器,使用的是以68微处理器为核心的MC1321X单芯片系统,EMBER公司,也是采用的自己的16BITRISC处理器；TI也希望推销自己的CC2420+MSP430系统；ZigBee节点作为一种传感器,其主要功能是采集用户感兴趣的数据,并将数据发送到蓝牙/ZigBee网关,通过GPRS、CDMA或WI-FI等发送到远程控制中心或数据库。ZigBee节点硬件由电源模块、微控制器<MCU>、存储器、ZigBee收发器和传感器等组成。系统中的MCU采用Freescale公司hcs08系列的8位MC9S08GB60。MC9S08GB60具有丰富的片上存储功能,有64KB<其中Flash占60KB,RAM占4KB>的存储空间。在40MHz的工作频率下,其功率消耗不到1mW。而且该微控制器具有多种省电模式以供选择。除了具有丰富的片上存储功能和多种省电模式以外,MC9S08GB60微控制器还具有8个10bit的A/D转换器、多个I/O数据线、2个串行通信接口<SCI>、四线串行外围接口<SPI>。这些特点使它易于进行软件编程,其接口还可用作与传感器的接口。ZIGBEE协定堆栈〔ZIGBEE软件ZIGBEE技术的核心是几万行ZIGBEE/802.15.4C51源代码,这些源代码和ZIGBEE无线单片机核配合,完成数据包装收发,校验,各种网络拓扑,路由计算等复杂的功能,这个协议栈是ZIGBEE技术的核心。完整的ZigBee协议套件由高层应用规、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上,具体而言包括：〔1安全与鉴权；〔2多个业务数据流的会聚；〔3设备发现；〔4业务发现；网络层将主要考虑采用基于adhoc技术的网络协议,应包含以下功能：〔1通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,包含了寻址、路由和安全；〔2同IEEE802.15.4标准一样,非常省电；〔3有自组织、自维护功能,以最大程度减少消费者的开支和维护成本。相对于常见的无线通信标准,ZigBee协议套件紧凑而简单,其具体实现的要求很低,以下是ZigBee协议套件的需求估计：〔18位处理器,如80c51；〔2协议套件软件需要32kbytes的ROM；〔3最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；〔4网络主节点需要更多的RAM,以容纳网络所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。1.3ZIGBEE与其它近距离通信技术的比较ZigBee技术是一种低成本、低速率、低功耗的无线传输技术,它基于IEEE802.15.4标准,工作频率为868MHz、915MHz和2,4GHz,其中2.4GHz是一个开放的频率。ZigBee与其他几种无线通信技术,如Wi-Fi和Bluetooth相比,突出特点是应用简单,电池寿命长,有组网能力,可靠性高以及成本低。1.3.1蓝牙1.系统复杂性Zigbee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性这可以从它们的协议栈的参考模型<如上图>中看出ZigBee协议栈简单,实现相对容易,需要的系统资源也较少,据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb；蓝牙协议栈相对复杂,它需要系统资源约为250Kb。Zigbee定义了两种类型的设备：全功能设备FFD<FullFunctionalDevice>和简化功能设备RFD<ReducedFunctionDevice>。网络为主从结构,一个网络有一个网络协调者<Coordinator>和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD、它负责管理和维护网络,包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者,其他终端设备可以是RFD,也可以是FFD,RFD的价格要比FFD便宜得多,其占用系统资源仅约为4Kb,因此网络的整体成本比较低。从这一点来说,ZigSee非常适合有大量终端设备的网络,如传感网络、楼宇自动化等。2.安全性Zigbee采用了分级的安全性策略:无安全性接入控制表、32比特AES和128比特AES如果系统是用于安全性要求不高的场景,可以选择级别较低的安全措施,从而换取系统成本和功耗的降低；反之,在安全性要求较高的应用场景〔如军事>,可以选择较高的安全级别这样,厂商可以综台考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。Zigbee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时,Zigbee只用MAC层提供的安全机制；当在多跳的情况下,ZigBee就要依赖高层来保证安全。下面分述MAC层和NWK层的安全性：MAC层安全套件〔SecuritySuites>基于以下三种操作模式：计数器<CTR,Counter>模式的AES加密、密码块模式<CBC-MAC,CipherBlockChaining>的数据完整性、CTR和CBC-MAC相结合的加密和完整性<OW做CCM模式>。MAC层的AES加密算法可以保护MAC命令、信标、信息帧和应答帧的秘冷性、完整性和真实性MAC帧的头部有一个比特用来指示MAC帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性,MAC层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码<MIC,MessageIntegrityCode>,其长度为4,8或16字节。同时,在每个MAC帧头也都有一个帧编号,用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程的控制则由高层来负责。NWK层也使用AES,它的安全套件是基于CCM.操作模式.CCM.包括所有CCM的功能,同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM*允许单个密钥用于不同的安全套件.因此一个密钥并不只属于单个安全套件,一个高层应用可以灵活地指定NWK所用的安全套件。NWK层负责安全处理,但对处理过程的控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM.安全套件来实现.此外,帧序号和MIC也可以加在NWK帧中。蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程设备的鉴权是强制性的,所有的蓝牙设备均支持鉴权过程,而链路的加密则是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询-响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性,可以使用1比特的流密码对链路进行加密。密钥大小随着每个基带分组数据单元〔BB_PDU>传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到这意味着,在使用链路加密之前,两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。密钥的最大长度为128比特,从以上分析可以看出,ZigBee和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但Zigbee比蓝牙更为灵活,这更有利于控制系统成本.3.可靠性信号在无线环境中传输,必然存在大尺度衰落、阴影衰落、多径和干扰等问题。Zigbee,蓝牙和WLAN<IEEE802.11b>都是工作于2.4GHzISM频段,相互间的干扰是不可避免的,因此保证可靠性尤为重要。下面分别讨论ZigBee和蓝牙为保证可靠性所采取的措施.Zigbee有三个工作频段：2.402-2.480GHz,868-868.6MHz,902-928MHz,共27个信道。信道接入方式采用CSMA-CA,RM有效地减少帧的冲突。为抗干扰和多径、Zigbee在物理层采用直接序列扩频DSSS和频率捷变FA技术。ZigBee的DSSS在900M日z频段采用了每符号15个码片,在2.4GHz频段采用了每符号32个码片,这比IEEE802.11b的DSSS所采用的每符号11个码片有更强的抗干扰和多径的能力。为了保证帧的正确传输,ZigBee在MAC层采用了两个指施：自动请求重传ARQ和帧缓存。当一帧传给一个设备时,如果接受设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧,那么网络协调设备就暂时缓存该帧,直到接收端能接收该帧。在网络层,Zigbee支持网状网.存在冗余路由,保证了网络的健壮性。蓝牙的工作在2.402-2.480GHz频段,它采用了跳频扩频FHSS,在79个信道上每秒钟,600次跳频,查寻状态时,跳变速率为每秒3200跳,有效地降低了干扰.在差错控制方面,基带控制器采用三种检纠错方式1/3前向纠错编码<FEC>,2/3前向纠错编码和ARO。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息,始终采用1/3FEC方式保护性传输。4.功耗低功耗是ZigBee的一个重要特征在一个典型的Zigbee传感网络中,一块普通碱性电池可以供Zigbee设备工作六个月到两年。下面讨论ZigBee获得低功耗的方法Zigbee的MAC信道接入机制有两种无信标‘Beaco门>模式和有信标模式无信标模式就是标准的ALOHACSMA-CA的信道接入机制,终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话,其余时间都处于休眠模式,这样平均功耗就非常低。有信标模式下,终端设备可以只在信标被广播时醒来,并且听地址,如果没有侦听到自己的地址,则又转入休眠状态。信标对簇形网络<Clustertreenetwork>和网状网<Meshnetwork>的节点同步尤为重要,节点不用长时间侦听信道而消耗能量网络拓扑结构对功率节省也有很重要的关系星形和簇形网络结构比网状网结构更有利于功率节省.因为前者的终端节点不充当路由器的功能,只收发自己的数据,这样可以节省更多功率。蓝牙主要采用两种方式来控制功率：自适应发射切率和调整基带模式。在自适应发射功率控制方式中,当从属设备检测到接收信号强度指示值<RSSI,ReceiveSignalStrengthIndicator>小于最低阀值时,从属设备可以请求主控设备增大的发射功率,反之,当RSSI大于某个规定的阀值时,从属设备也可以请求主控设备降低发射功率。蓝牙基带有四种模式：活跃<Active>,呼吸<Sniff>,保持〔Hold>和休眠<Park>。通过调节基带模式,也可以实现节约功率的目的。活跃、呼吸、保持、休眠这四个状态消耗的平均功率依次减小,但设备响应时间也依次增加。5.主要技术及性能参数比较为更直观地比较Zigbee和蓝牙,下面将两种技术的主要技术及性能参数列表。6.应用及市场分析比较由于Zigbee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间<LatencyTime>和低数据速率的性质。它非常适合有大量终端设备的网络。可以应用到以下领域楼宇自动化、工业监视及控制、计算机外设、互动玩具、医疗设备、消费性电子产品、家庭自动化以及其他一些传感网络。图2是西部技术研究方案公司<WTRS>对Zigbee的一个市场预测。蓝牙自1999年规1.0版本发布以来,已有很多应用,20XX全球蓝牙芯片产值已达1亿美元。据估计,到20XX,全球蓝牙芯片市场产值将达到5亿美元。应用方面,还是以移动为主,占65%,蓝牙产品2003年出货5500万台,预计20XX将出货8800万台。蓝牙主要应用在移动、头戴式耳机、汽车计算机外设、家庭目动化、工业监视控制等领域。预计音频应用将有较大发展。7.结束语通过从技术和应用两方面的分析比较,可以看出Zigbee非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。蓝牙则适合于较高数据数率的应用,如语音和数据传偷。两者之间同时又存在着竞争,比如,在计算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领域及在未来的穿戴网络<WearableNetwork>中,蓝牙面临着Zigbee技术的竞争。但是任何一种技术的成功,并不只由其技术本身的因素决定,客观市场对技术成败也有很大作用。ZigBee技术要想获得成功,ZigBee联盟应尽早公开发布规,尽早开发出ZigBee芯片。在蓝牙方面,SIG除致力于制定更多的应用模式和完善规之外,还应促进不同厂商生产的设备的互通性：针对目前市场特点,蓝牙应优先发展音频应用,因为在低速数据传输领域,蓝牙面临ZigBee的竞争,而在高速数据传输领域,蓝牙又面临UWB的竞争。1.3.2WIFI全称WirelessFidelity,又称802.11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。笔记本电脑技术——迅驰技术就是基于该标准的,无线上网已经成为现实。Wi-Fi技术突出的优势在于：其一,无线电波的覆盖围广,基于蓝牙技术的电波覆盖围非常小,半径大约只有50英尺左右,约合15米,而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右约合100米,办公室自不用说,就是在整栋大楼中也可使用。最近,由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉,该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300英尺接近100米的通信距离扩大到4其二,虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好,数据安全性能比蓝牙差一些,传输质量也有待改进,但传输速度非常快,可以达到11mbps,符合个人和社会信息化的需求。其三,厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置"热点",并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样,由于"热点"所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方,用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域,即可高速接入因特网。也就是说,厂商不用耗费资金来进行网络布线接入,从而节省了大量的成本。根据无线网卡使用的标准不同,WIFI的速度也有所不同。其中IEEE802.11b最高为11Mbps〔部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps,IEEE802.11a为54Mbps、IEEE802.11g也是54Mbps。WIFI是由AP<AccessPoint>和无线网卡组成的无线网络。AP一般称为网络桥接器或接入点,它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁,因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源,其工作原理相当于一个置无线发射器的HUB或者是路由,而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。

而wirelessb/g表示网卡的型号,按照其速度与技术的新旧可分为802.11a、802.11b、802.11g

讲起无线网,大家都有一种似是而非的感觉,无线是否简单地两台计算机互联？No！这已经是上个世纪的无线概念,新一代的无线网络,将以无须布线和使用相对自由,建立起人们对无线局域网的全新感受。需求决定了市场的发展,很少见到哪种IT技术或是产品能够象它一样有如此迅猛的增长势头,不受任何约束随时随地访问互联网不再是梦想,其中,WiFi发挥了至关重要的作用。Wi-Fi代表了"无线保真",指具有完全兼容性的802.11标准IEEE802.11b子集,它使用开放的2.4GHz直接序列扩频,最大数据传输速率为11Mbps,也可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽。无需直线传播传输围为室外最大300米,室有障碍的情况下最大100米,是现在使用的最多的传输协议。它与有线网络相较之下,有许多优点：无须布线WiFi最主要的优势在于不需要布线,可以不受布线条件的限制,因此非常适合移动办公用户的需要,具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去,甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。健康安全IEEE802.11规定的发射功率不可超过100毫瓦,实际发射功率约60~70毫瓦,这是一个什么样的概念呢？手机的发射功率约200毫瓦至1瓦间,手持式对讲机高达5瓦,而且无线网络使用方式并非像手机直接接触人体,应该是绝对安全的。\o"返回页首"WIFI组建方法一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP,如此便能以无线的模式,配合既有的有线架构来分享网络资源,架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网,也可不要AP,只需要每台电脑配备无线网卡。AP为AccessPoint简称,一般翻译为"无线访问节点",或"桥接器"。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP,就像一般有线网络的Hub一般,无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用,WiFi更显优势,有线宽带网络〔ADSL、小区LAN等到户后,连接到一个AP,然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够,甚至用户的邻里得到授权后,则无需增加端口,也能以共享的方式上网。长距离工作别看无线WIFI的工作距离不大,在网络建设完备的情况下,802.11b的真实工作距离可以达到100米以上,而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题,WIFI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。\o"返回页首"WIFI未来发展这两年,无线AP的数量呈迅猛的增长,无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。除了在目前的一些公共地方有AP之外,国外已经有先例以无线标准来建设城域网,因此,WiFi的无线地位将会日益牢固。WiFi是目前无线接入的主流标准,但是,WiFi会走多远呢？在Intel的强力支持下,WiFi已经有了接班人。它就是全面兼容现有WiFi的WiMAX,对比于WiFi的802.11X标准,WiMAX就是802.16x。与前者相比,WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等,预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准,Intel计划将来采用该标准来建设无线广域网络。这相比于现时的无线局域网或城域网,是质的变革,而且现有设备仍能得到支持,保护人们的每一分钱投资。总而言之,家庭和小型办公网络用户对移动连接的需无线局域网市场增长的动力,虽然到目前为止,美国、日本等发达国家仍然是目前WiFi用户最多的地区,但随着电子商务和移动办公的进一步普及,廉价的WiFi,必将成为那些随时需要进行网络连接用户的必然之选。最近,业界纷纷传出WIFI已出现生存危机的消息。据国外媒体报道,日前很多企业仍然在WIFI这方面投入巨资,但从中赢利的企业几乎没有。据悉很多企业因WIFI而破产,前不久RWireless公司也放弃了该项业务。那么WIFI的盈利情况是否真的出现危机了？不可否认,WIFI技术的商用目前碰到了许多困难。一方面是受制于WIFI技术自身的限制,比如其漫游性、安全性和如何计费等都还没有得到妥善的解决。另一方面,由于WIFI的赢利模式不明确,如果将WIFI作为单一网络来经营,商业用户的不足会使网络建设的投资收益比较低,因此也影响了电信运营商的积极性。但从WIFI技术定位看,我认为,对于电信运营商而言,WIFI技术的定位主要是作为高速有线接入技术的补充,将来逐渐也会成为蜂窝移动通信的补充。虽然WIFI技术的商用在目前碰到了一些困难,但这种先进的技术也不可能包办所有功能的通信系统。可以说只有各种接入手段相互补充使用才能带来经济性、可靠性和有效性。因而,它可以在特定的区域和围发挥对3G的重要补充作用,WIFI技术与3G技术相结合将具有广阔的发展前景。1.3.3无线USB无线技术日趋发展成熟,成本也日益降低。超宽频〔UWB技术,适用于无线USB,能在三公尺的距离实现480Mbps的高频宽。WirelessUSB〔WUSB的功能在于其避免了复杂的缆线,因此为所连结设备提供了高度的可移植性。无线功能可增强用户体验,但也面临着安全性、可靠性、降低功耗及其它挑战。

USB之所以能取得势不可挡的商业成功,源于以下几个特点：

●互通性；

●采用主从架构,简化了设备的复杂性；

●易于连接外部设备；

●可将多种设备连接至一个主机。

WUSB概述WUSB的运行采用MBOA–MAC架构,同时保留了主从架构,和USB2.0一样,它也能处理控制、突发、中断和同步〔Control、Bulk、InterruptandIsochronous所有这四种传输形式。主机和WUSB设备合称WUSB丛集,采用星型拓扑；与USB2.0.A的树型拓扑不同,WUSB主机能直接连接多达127个设备,因此在WUSB丛集中不需要包含WUSB集线器。而由于WUSB没有缆线,因此,所有的WUSB设备都必须自行供电〔self-powered。

USB2.0支持高速480Mbps、全速12Mbps和低速1.5Mbps的数据传输。WUSB主机支持以下数据传输率：53.3Mbps、106.7Mbps、200Mbps、80Mbps、160Mbps、320Mbps、400Mbps和480Mbps。WUSB设备必须支持53.3Mbps、106.7Mbps和200Mbps,其它五种为可选数据传输率。53.3Mbps是基本信号速率,为所有的USB标准控制请求、MMC〔Micro-scheduledManagementCommands、信号交换〔Handshakes、和设备通知〔DeviceNotifications；DN提供更高的可靠性。

WUSB主机必须符合多频带正交多频分工联盟〔Multi-bandOFDMAlliance；MBOA联盟信标协议,以解决干扰问题。另一方面,WUSB设备还有以下三种选择：●符合MBOA信标通讯协议〔beaconingprotocol,成为独立的信标设备；●作为WUSB主机引导信标设备,以避免将功率浪费在指示每个超级帧〔superframe上,并可降低处理的复杂性；●将所有相邻设备集成在主机,作为非信标设备部署。WUSB和USB2.0的数据通信拓扑类似,共分三层：功能层、设备层和总线层。除了同步设备之外,USB2.0的其它大多数功能层软件组件都可以在WUSB中重新使用。无线同步设备需要一个重试机制,以改进在欠佳的媒体上进行数据封包传输的可靠性,同时还需要一个更大的缓冲器,以实现4毫秒或更长的服务时间。设备层可增强安全性,扩展无线媒体管理。总线层因无线媒体性质的不同,在数据传输方面有很大差异。WUSB的数据传输一般来说,每次USB传输都需要经过三个阶段：Token、数据和信号交换。在一次完整的传输中,Token、数据和信号交换阶段是不分开的,阶段间的周转时间为18FS〔full-time位时间〔18奈秒×83奈秒=1.5微秒。为了分开传输,USBToken、数据和信号交换阶段会与其它传输的同等阶段交叉进行。对WUSB而言,传输和接收之间的交换时间超过10微秒。为将交换时间缩至最短,WUSB采用分割传输〔splittransaction以及群组处理〔groupstransaction,「封包」传输顺序依次为Tokens、DataOUTandDataIN。为将Token阶段的持续时间缩至更短,WUSB将所有的Token集成在一个控制封包中,即微调度管理指令〔MicroscheduledmanagementorMMC。首先,主机传输一个MMC；然后,WUSB丛集中的设备读取这一包含主机时脉信息、下一个MMC的开始时间、通道时间分配〔CTA和信道管理信息的MMC。每个CTA包含设备与主机进行通信的进度安排。主机确定CTA的进度,MMC之后紧接着是输出传输,然后是输入传输,最后是输出的信号交换。WUSB设备根据CTA接收和传输封包,其余时段处于休眠状态,其时脉和主机时脉同步。1.3.4UWBUWB〔ultrawideband是超宽带无线技术的缩写。UWB技术是一种使用1GHz以上带宽的最先进的无线通信技术。虽然是无线通信,但其通信速度可以达到几百Mbit/秒以上。UWB的特点在于不使用载波,这与此前的无线通信截然不同。由于原来的无线通信在通信时需要连续发出载波〔电波,自然要消耗电能。而UWB是发出瞬间尖波形电波－也就是所谓的脉冲电波－直接按照0或1发送出去。由于只在需要时发送出脉冲电波,因而大大减少了耗电量。UWB之所以能实现高速数据传输,正是因为这种脉冲的宽度能控制在1纳秒以下,因此实现几百M～1Gbit/秒以上的通信将也不再是梦想。但是,发送脉冲信号需要很宽的频带。UWB技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术,它将会为无线局域网LAN和个人域网PAN的接口卡和接入技术带来低功耗、高带宽并且相对简单的无线通信技术。超宽带技术解决了困扰传统无线技术多年的有关传播方面的重大难题,它开发了一个具有对信道衰落不敏感；发射信号功率谱密度低,有低截获能力,系统复杂度低,能提供数厘米的定位精度等优点。UWB尤其适用于室等密集多径场所的高速无线接入和军事通信应用中。虽然超宽带的描述并不详细,它确实有助于将这项技术与传统的"窄带"系统分隔开,或者是更新的主要是指文献中描述的未来3G蜂窝技术的"宽带"系统。关于超宽带和其它的"窄带"或者是"宽带"主要有两方面的区别。一是超宽带的带宽,在美国联邦通信委员会〔FCC所定义比中心频率高25％或者是大于1.5G赫兹。很清楚,这一带宽明显大于目前所有通信技术的带宽。二是,超宽带典型的用于无载波应用方式。传统的"窄带"和"宽带"都是采用无线电频率〔RF载波来传送信号,频率围从基带到系统被允许使用的实际载波频率。相反的,超宽带的实现方式是能够直接的调制一个大的激增和下降时间的"脉冲",这样所产生的波形占据了几个GHz的带宽。UWB无线通信技术与现有的无线通信技术有着本质的区别。当前的无线通信技术所使用的通信载波是连续的电波,形象地说,这种电波就像是一个人拿着水管浇灌草坪时,水管中的水随着人手的上下移动形成的连续的水流波动。几乎所有的无线通信包括移动、无线局域网的通信都是这样的：用某种调制方式将信号加载在连续的电波上。与此相比,UWB无线通信技术就像是一个人用旋转的喷洒器来浇灌草坪一样,它可以喷射出更多、更快的短促水流脉冲。UWB产品在工作时可以发送出大量的非常短、非常快的能量脉冲。这些脉冲都是经过精确计时的,每个只有几个毫微秒长,脉冲可以覆盖非常广泛的区域。脉冲的发送时间是根据一种复杂的编码而改变的,脉冲本身可以代表数字通信中的0,也可以代表1。超宽带技术在无线通讯方面的创新性、利益性具有很大的潜力,在商业多媒体设备、家庭和个人网络方面极提高了一般消费者和专业人员的适应性和满意度。所以一些有眼光的工业界人士都在全力建立超宽带技术及其产品。相信这一超宽带技术,不仅为低端用户所喜爱,而且在一些高端技术领域,如雷达跟踪、精确定位和无线通信方面具有广阔的前景。1.3.5WIMAXWiMax的意思是"微波接入全球互操作性",它是一种可将宽带信号从基站信号塔发射到30英尺距离处的WAN技术。这项正在WiMax论坛行业组织推广的802.16标准设计运行在2GHz～66GHz的非授权或授权频率上。它最初被当做替代DSL和线缆调制解调器的最后一公里技术而被大肆宣传。最后,802.16支持者将它视为无处不在的、连续的移动无线连接的基础。不妨想像一下,携带配置双WiMax/Wi-Fi卡便携机的移动工作人员的情形。他们在移动时通过WiMax上网,然后在热点围或具有Wi-Fi功能的建筑物中切换到Wi-Fi上。WiMax设计用于长距离、高数据速率通信,而ZigBee则正好相反,用于在短距离上提供低数据速率。ZigBee联盟是802.15.4技术的推动力量。802.15.4运行在利用率较高的2.4GHz频率在的非授权频带上,可以在30～200英尺的围以仅仅250Kbps的速率传送数据。ZigBee的主要优点在于它只需很小的能量,这意味着基于ZigBee的设备依靠一块电池可运行长达5年的时间。ZigBee联盟认为ZigBee将在无线桌面系统外设和可无线地通过网络监测的工业传感设备中发挥作用。标准之战802.16标准最初的目标是与DSL和线缆接入服务竞争。支持者希望它可以解决上世纪90年代中期建立市场的多点多信道分布系统<MMDS>的牌照持有者和目前利用802.11连接最后一公里的小运营商所面临的一些问题。从一座基站上,天线可在2英里或3英里的距离上发射高达75Mbps的带宽。吞吐量随着距离的增加而下降,但支持者说WiMax信号的量对宽带的需求始终在不断增加。同时,大运营商表示他们可以为某一比例的用户提供DSL和线缆服务,但不能为所有的用户提供这些服务。在802.16的帮助下,这些运营商和其他运营商可以利用授权或非授权频带连接他们用其他技术所不能服务的客户。802.16a向频率跨度从10GHz～66GHz的原始802.16建议添加了2GHz～11GHz频带。20XX1月,802.16a标准获得批准,但它没有解决造成MMDS市场在上世纪90年代中期遭受失败的一个主要问题：昂贵的客户端设备安装。为了在客户住宅或办公室安装外部天线,MMDS运营商在每位客户身上的花费高达3000美元。获得投资回报非常困难,因此我们看到MMDS运营商退出了这个市场。下一版本的802.16d消除了安装室外天线的需要,它将使厂商可生产符合该标准的PC卡,使顾客可在任何有信号覆盖的地方使用服务。但是,在802.16e问世前,802.16标准将不会支持实现真正移动性的基站间的切换。虽然WiMax论坛在这项标准的完成日期上有着更雄心勃勃的目标,但获得认证的产品要等到20XX或20XX后才会出现在市场上。一旦802.16e完成,以不同字母区分的系统将会消失,所有的设备都将标记为802.16设备。Intel说它希望看到建Wi-Fi和WiMax功能的便携机,这样移动工作人员可以在多数时间使用WiMax,而在可以有Wi-Fi网络的地方,切换到局域Wi-Fi网络上,因为Wi-Fi可以提供更高的容量。在一定程度上,由于WiMax论坛和Intel对802.16标准感兴趣,802.16标准获得了巨大的发展动力,但它仍面临挑战。尽管AT&T和CovadCommunications最近加入了WiMax论坛,但却没有一家运营商正式签约使用这项技术建设网络。移动宽带无线接入,即802.20,设计用于在移动环境中提供宽带数据。这项技术将运行在3.5GHz以下频带,预计可以高达每小时155英里的速度提供服务。例如,802.20可用于为火车上的移动用户提供宽带接入。ArrayComm公司CTOMarcGoldburg说："802.16e和802.20几乎同一时间诞生于一个争论的过程中。"ArrayComm与Flarion和其他厂商一起是802.20运动的发动者。802.16支持者指出他们在开发上远远领先于802.20,后者距最终成为一项标准还有很长的距离。从便携机到灯泡ZigBee技术有多种可能的用途。802.15.4网络可以多种方式部署,而一种选择是无线网状网,这时网关分布在必要的地方。芯片与网络软件制造商Ember公司CTORobertPoor说："在网状网中,控制被分散了,使之不存在所有信息都必须流过的单点。因此,网关可以随意地安装在任何地方。"802.15.4最简单的应用之一是电灯控制。电池供电的电灯开关中的802.15.4无线电装置可与安装在灯座中的灯泡上的无线电装置通信,不再需要在墙壁中安装将开关与灯泡相连的电线。PhilipsElectronics公司的一个部门正在将802.15.4芯片集成到某些类型的灯泡中。这项技术高效率的功耗意味着,配备有限的电池能量的开关可以在大部分时间处于睡眠状态。它们只在电源开关时启动,唤醒无线电装置足以与最接近的灯泡通信。灯泡被接在电源上,因此灯泡上的无线电装置可始终处于接通状态,等待接收控制信号。如果最接近的灯泡检测到来自开关的信号并不是开关打算打开的目的灯泡,那么开关就继续发送信号。开发人员认为,大楼管理员可利用这项技术大大降低能源费用。在办公室中,每个隔间中的电灯可无线地连接到每位工作人员,他们都可以在各个隔间中控制一个电灯开关。大楼管理员还可以将某些灯泡连接到光线传感器上,当太阳出来时,灯泡可以自动地关闭或变暗。大楼管理员还可以控制暖气和空调设备,它们全都通过网关连接到Internet上,使设备可被遥控。但是,802.15.4可能也有一些本身的问题阻碍了它的发展。802.15.4标准的一些设计人员建立了ZigBee联盟,使厂商可以生产有互操作性的产品。但是,某些应用的制造者可能不愿意与其他产品互操作。ZigBee联盟主席BobHeile说："一些工业过程控制领域中的制造商不愿让其他一些公司读取他们的监测系统。"因此,802.15.4被用来可使来自专有系统的数据通过一个标准的ZigBee轻型系统传送,例如被用来建立最高效的网络。ZigBee联盟已经制定了一项使独立制造商可进行性能测试的计划。1.4ZIGBEE国际标准1.4.1ZIGBEE协议构成20XX10月,就在IEEE推出802.15.4协议标准的同时,ZigBee联盟也开始酝酿与之相配套的网络层及应用层的协议,目的并不是为了推出一项具体的技术,而是为了给传感器网络和控制系统推出一个标准的解决方案。IEEE802.15.4/ZigBee协议是由IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的,其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等。因此,zigbee技术是建立在IEEE802.15.4b之上的,其结构如图1所示。PHY层2.4GHz频段<2.4-2.4835GHz>被划分为16个信道,数据传输速率为250kbit/s,码元速率为62.5kBaud,采用了16进制正交调制,用码片长度为8的伪随机码直接扩频。915MHz频段<902-928MHz>被划分为10个信道,数据传输速率为40kbit/s,码元速率为40kBaud.868MHz频段<868.3MHz>1个信道,数据传输速率为20kbit/s,码元速率为20kBaud。后两个频段均采用了差分编码的二进制相移键控<BPSK>调制,用码片长度为15的M序列直接扩频。物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据,物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。1.4.2IEEE802.15.4技术标准的发展我们无法预料将来ZigBee会基于怎样的底层技术,只好从它现在的底层——IEEE

802.15.4开始了解,IEEE802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上,分别是用于欧洲的868MHz频带,用于美国的915MHz频带,以及全球通用的2.4GHz频带,但这三个频带的物理层并不相同,它们各自的信道带宽分别是0.6MHz,

2MHz和5MHz,分别有1个,10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别,虽然都使用了直接序列扩频<DSSS>的方式,但从比特到码片的变换方式有比较大的差别;调制方面都使用了调相技术,但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK,而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图<如图1>,可以看到物理层部分非常简单,而IEEE

802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能,但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE

802.15.1以及WiFi/IEEE

802.11的性能比较<如图2>,在同样比特信噪比的情况下,IEEE

802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果,同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下,Bluetooth通常能有10m作用围,而基于IEEE

802.15.4的ZigBee在室通常能达到30~50m作用距离,在室外如果障碍物较少,甚至可以达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来,IEEE

802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面,我们可以看到IEEE

802.15.4的数据速率并不高,对于2.4GHz频段只有250kb/s,而868MHz频段只有20kb/s,915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。

图1

IEEE

802。15.4

物理层2.4GHz频段发射机基带框图

图2

几种无线通信技术性能比较物理层的上面是MAC层,它的核心是信道接入技术,包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持,因此我们可以暂不考虑它,而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE

802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上,因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术,简单来说,就是节点在发送数据之前先监听信道,如果信道空闲则可以发送数据,否则就要进行随机的退避,即延迟一段随机时间,然后再进行监听,这个退避的时间是指数增的,但有一个最大值,即如果上一次退避之后再次监听信道忙,则退避时间要增倍,这样做的原因是如果多次监听信道都忙,有可能表明信道上的数据量大,因此让节点等待更多的时间,避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术,所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式,一种是信标<beacon>模式,另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种"超帧"的格式,在超帧的开始发送信标帧,里面含有一些时序以及网络的信息,紧接着是竞争接入时期,在这段时间各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接入时期,节点采用时分复用的方式接入信道,然后是非活跃时期,节点进入休眠状态,等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活,节点均以竞争方式接入信道,不需要周期性的发送信标帧。显然,在信标模式当中由于有了周期性的信标,整个网络的所有节点都能进行同步,但这种同步网络的规模不会很大。实际上,在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。

MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了,我们可以看一下ZigBee的协议栈<图3>。底层技术,包括物理层和MAC层由IEEE

802.15.4制定,而高层的网络层、应用支持子层<APS>、应用框架<AF>、ZigBee设备对象<ZDO>和安全组件<SSP>,均由ZigBeeAlliance所制定。

图3ZigBee协议栈

这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样,ZigBee网络层的主要功能是路由,路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法,具体可以参考ZigBee的协议栈规。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树,因为整个网络是由协调器所建立的,而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点,路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点,而末端节点没有子节点,相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构,协调器相当于蜂后,是唯一的,而路由器相当于雄蜂,数目不多,末端节点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想,就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法,使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址,于是寻址的时候根据地址就能计算出路径,而路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表,节省存储资源,但缺点是很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低,因此常常作为最后的路由方法,或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由,这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版本,非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络,需要节点维护一个路由表,耗费一定的存储资源,但往往能达到最优的路由效率,而且使用灵活。除了这两种路由方法,ZigBee当中还可以进行邻居表路由,其实邻居表可以看作是特殊的路由表,只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。网络层的上面是应用层,包括了APS、AF和ZDO几部分,主要规定了一些和应用相关的功能,包括端点<endpoint>的规定,还有绑定<binding>、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方,ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上,例如一个节点具有控制灯光的功能,又具有感应温度的功能,又具有收发文本消息的功能,这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个"互补的"应用联系在一起,如开关应用和灯的应用。更通俗的理解,"绑定"可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法,比如开关需要控制"灯",但它一开始并不知道"灯"这个应用所在的设备地址,也不知道其端点号,于是它可以广播一个消息,当"灯"接收到之后给出响应,于是开关就可以记录下"灯"的通信信息,以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现是应用层需要提供的,ZigBee定义了几种描述符,对设备以及提供的服务可以进行描述,于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。ZigBee还提供了安全组件,采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护,另外还规定了信任中心<trust

center>的角色—全网有一个信任中心,用于管理密钥和管理设备,可以执行设置的安全策略。1.4.3ZIGBEE标准的发展Zigbee参照和采用现有的IEEE802.15.4标准,确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要.IEEE802.15.4工作组主要负责制订物理层和MAC层的协议,高层应用、测试和市场推广等方面的工作则由Zigbee联盟负责。Zigbee网络拓扑结构：IEEE802.15.4/ZigBee协议中明确定义了三种拓扑结构：星型结构<Star>、簇状结构<Clustertree>和网状结构<Mesh>,其中簇状结构<Clustertree>和网状结构<Mesh>都是属于点对点<peer-to-peer>的拓扑结构,它们是点对点拓扑结构的复杂化的形式。在IEEE802.15.4中,要构成一个网络需要若干个网络节点组成,其中依照处理能力的大小,定义为：削减功能设备<Reducedfunctiondevice,RFD>,全功能设备<Fullfunctiondevice,FFD>,终端设备<Enddevice>。星状拓扑结构中有一个协调者和其它的设备所组成,其它的装置都只能与协调者连接,完全有协调者处理所需要处理的事情,这种拓扑结构基本上使用64位<8个字节>的扩展地址,此外,协调者给加入网络的设备分配16为的地址以节省频宽。在这种网络中,网络协调器一般使用持续电力系统供电,而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小围的室应用。点对点的拓扑结构也有一个协调者,用来点对点网络中也需要网络协调器,负责实现管理链路状态信息,认证设备身份等功能,但是其他非协调者的FFD除了与协调者连接外,也可以对在其一定围的其他的设备进行通信,不过终端设备只能与FFD连接,而点对点在实际的应用中主要是以更复杂的方式运作,簇状结构<Clustertree>和网状结构<Mesh>等,点对点网络模式可以支持ad-hoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。第二章ZIGBEE发展现状及趋势2.1ZIGBEE联盟ZigBee联盟成立于20XX8月,20XX下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟,这一事件成为ZigBee技术的里程碑。到目前为止,加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当初的四大公司,而是涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业。有了这么多公司的支持,可以毫不夸地说："在未来的数年,从家用电器到玩具、从工厂控制到汽车控制,ZigBee技术将走入我们生活的方方面面。"2.2全球ZIGBEE发展趋势在标准林立的短距离无线通信领域,可以说,Zigbee的快速发展是令人始料不及的。从20XX底标准确立,到20XX底,相关芯片及终端设备总共卖出了1500亿美元。观察家们预计,到20XX,ZigBee的节点数量将从目前不到1百万个骤增至1亿个。全球ZIGBEE市场概况到目前为止,除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有150多家成员企业,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等,例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。

根据Zigbee联盟目前的设想,Zigbee的目标市场主要有PC外设<鼠标、键盘、游戏操控杆>、消费类电子设备<TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置>、家庭智能控制<照明、煤气计量控制及报警等>、玩具<电子宠物>、医护<监视器和传感器>、工控<监视器、传感器和自动控制设备>等非常广阔的领域。政府的计划给了Zigbee更多的空间,显示了对其无比的信心。据报道,美国能源部已经决定雇佣HoneywellInternationalInc.公司,希望通过使用Zigbee传感器能够在钢铁、铝以及其他六个行业中将这些能源的成本降低15%。通过安装在Alcoa,DowChemical,以及ExxonMobil等公司管道系统中传感器,实时追踪监测产品生产过程中的气体使用情况。全球ZIGBEE产品供需情况不少市场调研公司的报告都表示,20XX是ZigBee技术的市场启动年,到20XX这一技术将高速增长。美国西部技术研究解决方案公司<WTRS>在20XX3月的分析报告中就指出,Zigbee在未来的几年里将在工业控制、家庭网络和自动化、楼宇自动化、消费电子等多个领域具有广阔的应用前景。特别是家庭自动化和家庭网络,将成为今后Zigbee芯片主要应用领域。20XX5月,WTRS研究公司首席分析师KirstenWest预测："802.15.4/ZigBee芯片组销售量将在20XX超过2.2亿美元。"20XX6月,高技术市场调研机构In-Stat公司发表的报告也指出,802.15.4和Zigbee规格网络层市场将急剧增长。In-Stat表示,2004-20XX802.15.4节点/芯片组市场的复合年增率将达200%,20XX的出货量将超过1.5亿个。全球ZIGBEE应用市场潜力无线传感器网络中的传感器节点将会在未来数年以数十亿的速度增长,这些数量庞大的传感器节点将会用ZigBee技术连接起来,而这些传感器网络将会和现有的Internet通过IPv6相连接,到了那一天你可以在数千公里外的地方使用Interne来控制工厂的设备和农场里作物的温度湿度,也可以在办公室里控制家里的家用电器……毫无疑问,ZigBee技术支撑的无线传感器网络除了带来数千亿美元的市场外更重要的是它将会给我们当前的生活带来巨大的改变。更重要的是,预测未来6到7年,家庭用户将占有Zigbee2/3的市场。在可以预期的将来,Zigbee无线传感将切实改变你我的生活。2.3中国ZIGBEE发展趋势Zigbee技术作为近几年发展很快的无线传输技术,在国也受到越来越多的关注,以其卓越的特点,组建局部无线自动化控制网,再通过互联网或移动网与远端的计算机相连,作为互联网和移动网盲区的补充,从而实现低成本,高效率的自动化遥测遥控,在工业、民用领域将会得到越来越广泛的应用。这种技术早在四、五年前已经出现并有多家上游芯片厂商投入研发,但总是"只听楼梯响,不见人下来",人们能够看到采用zigbee技术的产品还是近年才出现的事情,而且目前在中国的应用还仅限于在少数几家厂商进行试验。Zigbee技术在我国的应用情况,尽管,国不少人已经开始关注Zigbee这门新技术,而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作,然而,由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须和网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术,再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍,本身就不是一件容易的事情,因而,到目前为止,国目前除了包括数传的有限的几家公司,真正将Zigbee技术开发成产品,并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外,尚未见到其它报道。华立仪表为了抓信中未来十年将兴建多达七千万户新楼房的机遇,华立仪表集团<华立仪表>日前推出崭新的无线自动仪表读取<AMR>系统。新的AMR系统以Ember公司的ZigBee技术为基础,可免除派亲自到用户楼房读取仪表的人力物力,更可改善客户服务质量。以ZigBee为标准的AMR系统组成自动组网、自动重构的网状网络,贯穿相邻的住宅大楼,并把仪表连接至公用事业的系统,让企业自动抄收住户电力、燃气及水的用量,既能避免误差提升效益,亦能改善服务质量。虽然华立仪表现时已提供使用GSM/GPRS/CDMA移动网络的AMR系统作工业及商业应用,但大型住宅项目所需的技术及基建设备花费仍相当昂贵。

Ember亚洲区业务拓展总监Tony

Delgado表示："本年单在兴建的商住高楼大厦已比整个纽约的高楼数目为多。符合ZigBee标准的无线网络不但成本低效率高,而且简便易用,无疑是满足中国地急剧发展的房地产巿场的良方妙药。"作为中国最大的公用事业仪表及AMR系统/方案供应商,华立仪表将推出一系列具Ember技术的电表,并于20XX开发燃气及水表。该AMR系统将率先在中国国推出,该公司