ZigBee和短距离通信的那些事

基于ZigBee的短距离无线通信网络技术

近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前发展较成熟的几大无线通信技术，往往比较复杂，不但耗费较多资源，成本也比较高，并不适用于短距离无线通信的场合。蓝牙技术的出现使得短距离无线通信成为可能，但是其协议较复杂、功耗高、成本高等特点不太适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。本文介绍了一种复杂度、成本和功耗都很低的低速率短距离无线接入技术——ZigBee。该技术主要针对低速率传感器网络而提出，它能够满足小型化、低成本设备（如温度调节装置、照明控制器、环境检测传感器等）的无线联网要求，能广泛地应用于工业、农业和日常生活中。

二、ZigBee技术的特点及应用

ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（MediaAccess Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层。ZigBee联盟成立于2001年8月，该联盟由Invensys、三菱、摩托罗拉、飞利浦等公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本、对数据速率和QoS（服务质量）要求不高的无线通信应用场合。

ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。与其它无线通信协议相比，ZigBee无线协议复杂性低、对资源要求少，主要有以下特点：

低功耗：这是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期短、收发信息功耗较低、以及采用了休眠机制，ZigBee终端仅需要两节普通的五号干电池就可以工作六个月到两年。

低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片的价格仅2美元，而且ZigBee协议是免专利费的。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。

传输范围小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee节点的有效传输范围一般为

10-75m，能覆盖普通的家庭和办公场所。

数据传输速率低：2.4GHz频段为250kb/s，915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20kb/s。

数据传输的可靠性由于ZigBee采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，从而避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，保证了节点之间传输信息的高可靠性。

ZigBee的出现将给人们的工作和生活带来极大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技术优势，适合的应用领域主要有：

家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制以使其更加节能、便利，烟尘、有毒气体探测器等可自动监测异常事件以提高安全性；

消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的远程遥控（含ZigBee功能的手机就可以支持主要遥控器功能）。

PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等；

工业控制：利用传感器和ZigBee网络使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；

医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等；

交互式玩具。

三、ZigBee协议栈

ZigBee协议栈结构（图1）是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。

图1 ZigBee协议栈

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS）技术。868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s；902MHz～928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK调制。2.4GHz～2.4835 GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。

四、ZigBee网络配置

低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。

在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点，ZigBee 中也称作ZigBee协调点。一个ZigBee网络只有一个PAN协调点。通常，PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可以作为终端节点加入

ZigBee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。

五、ZigBee网络的拓扑结构

ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网。

星型网（图2-a）是由一个PAN协调点和一个或多个终端节点组成的。PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN 协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。

Mesh网（图2-b）一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。

图2 ZigBee拓扑结构