ZigBee短程無線傳輸技術及其應用

福建省廣播電視大學 黃麗軍

ZigBee短程無線傳輸技術及其應用

福建省廣播電視大學 黃麗軍

ZigBeeTM是專為低速傳感器和控制網(wǎng)絡設計的無線網(wǎng)絡協(xié)議，雖然問世不久，但是由于其低功耗、低成本和靈活可靠等優(yōu)點，已經(jīng)顯示出廣闊的市場前景。ZigBee無線網(wǎng)絡技術的應用涵蓋了工業(yè)、民用和醫(yī)療等各個領域，包括住宅安防系統(tǒng)、病房警報系統(tǒng)、遠程抄表、PC機外設以及工業(yè)控制網(wǎng)絡等。ZigBee無線協(xié)議不僅提供了低復雜性、縮減資源的通信解決方案，而且提供了一組標準化的規(guī)范。

一、幾種無線傳輸技術及其比較

1. 藍牙BlueTooth（IEEE802.15.1）。藍牙最早是愛立信研發(fā)的一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊。藍牙主要用于通信和信息設備的無線連接，它的工作頻段是在 2.4GHz ISM頻段，采用了GPSK調(diào)制技術和FHSS擴頻技術，發(fā)射功率分別為0dBm、4dBm和20dBm三級，有效范圍大約在10m 半徑內(nèi)。BlueTooth為語音和特定網(wǎng)絡提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB 系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復雜性。另外，BlueTooth對每個Piconet（微微網(wǎng)）只能配置7個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡開發(fā)中的應用。

2. Wi-Fi（IEEE802.11）。Wi-Fi（Wireless Fidelity，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 的主要技術標準，其工作頻率也是2.4GHz。IEEE802.11流行的幾個版本包括“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）。這種復雜性為用戶選擇標準化無線平臺增加了困難。由于其優(yōu)異的帶寬是以較大的功耗為代價，因此大多數(shù)便攜Wi-Fi 裝置都需要常規(guī)充電。

3. IrDA（紅外線數(shù)據(jù)）。紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA（Infrared Data Association）是一種利用紅外線進行點對點通信的技術。IrDA 標準的無線設備傳輸速率已從115.2kBps 逐步發(fā)展到4MBps、16MBps。目前，支持它的軟硬件技術都很成熟，在小型移動設備（如PDA、手機）上被廣泛使用。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用成本低廉的特點。

4. ZigBee （IEEE802.15.4）。ZigBee的基礎是IEEE802.15.4，但是IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。ZigBee技術同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術。另外，它可與254個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)，節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應用設備。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。

二、ZigBee 技術的主要特點和優(yōu)勢

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設備無線聯(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的固定、便攜或移動設備使用，且復雜度、成本和功耗均很低的低速率無線連接技術。

ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月。他們制訂一個基于IEEE802.15.4、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡應用規(guī)格。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國際知名的大公司外，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。

ZigBee 技術的主要特點有：

1. 功耗低。由于ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，在休眠模式下，電池壽命可長達數(shù)年。

2. 成本低。ZigBee 通信模塊的單位成本在幾美元左右，并且ZigBee 協(xié)議是免專利費的。

3. 時延短。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。

4. 網(wǎng)絡容量大。一個星形結構的ZigBee 網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網(wǎng)絡組成靈活。

5. 可靠。采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

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

三、ZigBee技術的應用

1. ZigBee技術在工業(yè)控制領域的應用。在現(xiàn)代工業(yè)數(shù)字化的基礎上，隨著計算機軟硬件技術、網(wǎng)絡技術和工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)整合水平的不斷發(fā)展，對數(shù)據(jù)接口的開放性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、數(shù)據(jù)連接的安全性等方面提出了更高的要求。由于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡本身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡覆蓋和網(wǎng)絡支持仍然是個難題。而無線廣域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)和無線個人網(wǎng)技術卻能提供這些問題的有效解決方案。

在工業(yè)控制環(huán)境下的短距離無線網(wǎng)絡技術已成為近年來業(yè)界的研究熱點之一，基于BlueTooth （IEEE802.15.1）、W i-Fi（IEEE802.11）和ZigBee（IEEE8002.15.4）等協(xié)議的無線網(wǎng)絡技術相繼問世。在眾多無線網(wǎng)絡技術中，ZigBee短程無線網(wǎng)技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域中展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。

ZigBee技術在工業(yè)應用中的優(yōu)勢主要有三點。

（1）可靠性。工業(yè)控制環(huán)境下對通信網(wǎng)絡的首要要求是數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?。無線通信在數(shù)據(jù)傳輸過程中容易受到外界噪聲的干擾而發(fā)生衰變，為了盡可能減小或消除這些干擾，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，ZigBee協(xié)議在各個層面上分別采用了不同的安全保障機制。

（2）實時性。在工業(yè)控制系統(tǒng)中，實時性是另一項重要指標。ZigBee無線通信網(wǎng)絡新增節(jié)點的典型網(wǎng)絡參與時間為30 ms，節(jié)點從休眠狀態(tài)激活進入工作狀態(tài)的典型時延為15ms，處于工作狀態(tài)的節(jié)點的典型存取時間為15ms，對于最長等待時間在10 ms量級以上的控制環(huán)境，ZigBee技術完全可以滿足實時性的要求。

（3）靈活性。ZigBee技術的靈活性主要體現(xiàn)在自身組網(wǎng)的可擴展性以及與其他通信設備之間的共存性。作為無線通信設備，基于ZigBee技術的通信模塊幾乎無須布線，可隨意擺放。無線通信網(wǎng)絡建立之后，在信號覆蓋區(qū)域內(nèi)任何一個位置都可以無縫接入網(wǎng)絡，并且可以“漫游”。因此，ZigBee無線通信網(wǎng)絡具有很強的可擴展性。

在共存性方面，ZigBee通信模塊具有透明傳輸?shù)墓δ?，在信號覆蓋范圍以內(nèi)可以和有線通信設備協(xié)調(diào)工作。

在Modbus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中引入ZigBee無線網(wǎng)絡，可以在確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性和實時性的前提下，大大提高控制系統(tǒng)的可擴展性，降低設備維護的成本，從而使整個控制系統(tǒng)得到優(yōu)化。

2. ZigBee技術在智能家居中的應用。ZigBee低成本、低功耗、低傳輸率、安全性好的特點，使它很適合應用于對家用電器和小型電子設備的無線控制領域。

在家電控制領域，ZigBee技術相對現(xiàn)在的紅外遙控技術要先進很多，使用者不用再拿著各種遙控器站在家電前進行操作。ZigBee技術通過無線方式將各種電子和電器產(chǎn)品連接起來，用戶通過嵌套在諸如手機和PDA之中的遙控模塊在規(guī)定范圍內(nèi)就可以操控各種家用電器。另外ZigBee技術還有一些高端應用，比如當房主在超市購物時，可以發(fā)一條指令，以了解冰箱中的牛奶、肉類和蔬菜的數(shù)量，確定是否需要再購買。ZigBee技術的這些優(yōu)點將會給我們的生活帶來極大的便利，從而在真正意義上實現(xiàn)我們常說的智能家居。

從技術上講，智能家居所要實現(xiàn)的主要功能有如下幾種。

（1）對白色家電和其他設備的控制、調(diào)節(jié)和監(jiān)測。比如微波爐、燈光、電動窗簾、防盜報警器、煙霧探測器、溫度和濕度控制器、各種手動的開關和遙控器等。

（2）使黑色家電和其他視頻設備之間以及與外部世界之間進行溝通，其中包括計算機、攝像機、數(shù)碼照相機等。同時還可以實現(xiàn)對它們的控制和監(jiān)測。

（3）通過對外的接口，實現(xiàn)遠程控制和信息交換。如電話線、有線電視電纜、市電電源線、雙絞線和無線通信方式等。

由此可見，智能家居主要通過網(wǎng)絡控制家庭中各種設備的運行狀況。成本和功耗是控制網(wǎng)絡的兩個關鍵因素。ZigBee技術低功耗、低成本、復雜度低的優(yōu)勢正好滿足智能家居控制網(wǎng)絡的需求。

Zigbee技術在智能家居中的應用系統(tǒng)如圖1所示，將基于ZigBee芯片的無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊嵌入到各種家居設備中，組成基于Zigbee技術的家庭無線控制網(wǎng)絡。通過這些無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊在各個網(wǎng)絡子節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)的傳送，從而實現(xiàn)家庭內(nèi)設備的無線互連，使它們能夠自動運行，相互協(xié)作，為居住者提供盡可能多的便利和舒適。

3. ZigBee技術在無線傳感器網(wǎng)絡的應用。無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種集成了傳感器、微機電系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術而形成的全新的信息獲取和處理系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡屬于一種特殊的 Ad-hoc 網(wǎng)絡，是由許多無線傳感器節(jié)點協(xié)同組織起來的。這些微型節(jié)點具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，可應用于布線和電源供給困難或人員不能到達的區(qū)域（ 如受到污染、環(huán)境被破壞或敵對區(qū)域）和一些臨時場合等。無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點可以隨機或者特定地布置在目標環(huán)境中，它們之間可以通過基于Zigbee協(xié)議組織起來，從而獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務。

這種基于 Zigbee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點由下列部件組成：低功耗微處理器、低功耗通信模塊、電源、復位電路等。節(jié)點功能模塊示意圖如圖2所示。

無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、國防、工農(nóng)業(yè)、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、搶險救災、防恐反恐、危險區(qū)域遠程控制等許多重要領域都有潛在的實用價值，具有十分廣闊的應用前景。

4. ZigBee技術在生產(chǎn)領域和其他領域的應用。在生產(chǎn)領域和其他領域，ZigBee技術都有著廣闊的應用前景。

在礦井生產(chǎn)中，安裝了Zigbee 收發(fā)模塊的工作服可以告訴控制中心礦工的準確位置，同樣的系統(tǒng)也可以應用在小區(qū)車輛管理中。在運動休閑領域，一條使用了ZigBee技術的高爾夫球道能夠預測降雨，進而調(diào)節(jié)自動灑水系統(tǒng)，推遲既定日程中的噴灑時間或者使噴灑范圍集中在降雨量較少的球道。

在酒店服務行業(yè)，一家應用了ZigBee技術的酒店可以自動感知房間是空的，于是關閉該房間的取暖或制冷系統(tǒng)以便節(jié)能。

在食品零售業(yè)中，安置在一板巧克力上的ZigBee標簽不僅僅只是提供巧克力是否到達目的地的信息，它還能告訴生產(chǎn)商，是否因為放在陽光下運輸使得它周圍的溫度上升，獲取到信息的廠商就可以通知運輸部門在巧克力融化之前把它們移到合適的位置。

可以預見，在不遠的將來，會有越來越多的內(nèi)置ZigBee功能的設備進入我們的視野，它們將極大地改善人們的生活。

四、結論

ZigBee是一種低速率、低成本、低功耗的短程無線網(wǎng)絡協(xié)議。在眾多無線網(wǎng)絡技術中，ZigBee技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等獨特的優(yōu)勢，在工業(yè)控制領域、無線傳感器網(wǎng)絡、智能家居系統(tǒng)及其他生產(chǎn)生活領域展現(xiàn)了深厚的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉到應用的設計和實現(xiàn)互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。相信在不遠的將來，將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設備進入我們的生產(chǎn)和生活，并將極大地提高工業(yè)控制的水平和改善人們的生活方式。