基于ZigBee的无线网络技术及其应用_顾瑞红

《电子技术应用》２００５年第６期欢迎网上投稿ｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｎｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎＺｉｇＢｅｅＰｒｏｆｉｌｅｓ网络应用层数据链路层ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＬＬＣ８０２．２ＬＬＣＩＥＥＥ８０２．１５．４ＭＡＣ８６８／９１５ＰＨＹ２４００ＰＨＹ图１ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议架构表１ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＬＬＣ层和ＭＡＣ层主要功能ＬＬＣ子层的主要功能：ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＭＡＣ协议主要功能：传输可靠性保障和控制设备间无线链路的建立、维护和结束数据包的分段与重组确认模式的帧传送与接收数据包的顺序传输信道接入控制帧校验预留时隙管理广播信息管理长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。

自从Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。

如今，这些业者都参加了ＩＥＥＥ８０２．１５．４小组，负责制定ＺｉｇＢｅｅ的物理层和媒体介入控制层。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范是一种经济、高效、低数据速率（＜２５０ｋｂｐｓ）、工作在２．４ＧＨｚ和８６８／９２８ＭＨｚ的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。

它是ＺｉｇＢｅｅ应用层和网络层协议的基础。

ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。

主要用于近距离无线连接。

它依据８０２．１５．４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少的能量，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，所以它们的通信效率非常高。

一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。

相对于现有的各种无线通信技术，ＺｉｇＢｅｅ技术将是最低功耗和成本的技术。

同时由于ＺｉｇＢｅｅ技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ＺｉｇＢｅｅ技术适合于承载数据流量较小的业务。

所以ＺｉｇＢｅｅ联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

１ＩＥＥＥ８０２．１５．４和ＺｉｇＢｅｅ介绍ＩＥＥＥ无线个人区域网（ＰＡＮ）工作组的ＩＥＥＥ８０２．１５．４技术标准是ＺｉｇＢｅｅ技术的基础。

８０２．１５．４标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在１０米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。

传感器网络是其主要市场对象。

１．１８０２．１５．４协议架构及其技术特点ＩＥＥＥ８０２．１５．４满足国际标准组织（ＩＳＯ）开放系统互连（ＯＳＩ）参考模式。

它定义了单一的ＭＡＣ层和多样的物理层（如图１所示）。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＭＡＣ层能支持多种ＬＬＣ标准，通过ＳＳＣＳ（Ｓｅｒｖｉｃｅ－ＳｐｅｃｉｆｉｃＣｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅＳｕｂｌａｙｅｒ，业务相关的会聚子层）协议承载ＩＥＥＥ８０２．２类型一的ＬＬＣ标准，同时允许其他ＬＬＣ标准直接使用ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＭＡＣ层服务。

表１列出了ＩＥＥＥ８０２．１５．４的ＬＬＣ层和ＭＡＣ层主要功能。

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。

它们都基于ＤＳＳＳ（ＤｉｒｅｃｔＳｅｑｕｅｎｃｅＳｐｒｅａｄＳｐｅｃｔｒｕｍ，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。

２．４ＧＨｚ波段为全球统一的无需申请的ＩＳＭ频段，有助于ＺｉｇＢｅｅ设备的推广和生产成本的降低。

２．４ＧＨｚ的物理层通过采用高阶调制技术能够提供２５０ｋｂｐｓ的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。

８６８ＭＨｚ是欧洲的ＩＳＭ频段，９１５ＭＨｚ是美国的ＩＳＭ频段，这两个频段的引入避免了２．４ＧＨｚ附近各种无线通基于ＺｉｇＢｅｅ的无线网络技术及其应用顾瑞红，张宏科（北京交通大学电子信息工程学院，北京１０００４４）摘要：ＺｉｇＢｅｅ是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，本文详细分析了ＺｉｇＢｅｅ技术，ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准及相关应用，讨论了它们的关系和相对其它技术的特点，并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。

本文还针对无线网络与ＮＧＮ（ＩＰＶ６）的结合做了分析。

关键词：ＩＥＥＥ８０２．１５．４ＺｉｇＢｅｅ短距离无线网络ＩＰＶ６１复杂程度比现有标准低通信时延≥１５ｍｓ目的只支持数据通信功耗约４５!ｓ频段，数据率８６８ＭＨｚ：２０ｋｂｐｓ１ＭＡＣ的控制方式及信数９２５ＭＨｚ：４０ｋｂｐｓ１０星型网络，对等网络２．４ＧＨｚ：２５０ｋｂｐｓ１６每个网络６５５３６寻址方式６４ｂｉｔＩＥＥＥ地址，支持节数８ｂｉｔ网络地址连接层结构开放式温度－４０℃～８５℃传输范围室内：１０ｍ速率应用传感器，玩具，２５０ｋｂｐｓ；＋０ｄＢｍＴＸ控制领域…室外：３０ｍ～７５ｍ速率４０ｋｂｐｓ；３００ｍ速率，２０ｋｂｐｓ表２ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的主要技术特征信设备的相互干扰。

８６８ＭＨｚ的传输速率为２０ｋｂ／ｓ，９１６ＭＨｚ是４０ｋｂ／ｓ。

这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

表２中概括了８０２．１５．４的一些特点。

１．２ＺｉｇＢｅｅ技术概述ＺｉｇＢｅｅ是一组基于ＩＥＥＥ批准通过的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标准。

它不仅只是８０２．１５．４的名字。

ＩＥＥＥ仅处理低级ＭＡＣ层和物理层协议，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。

完整的Ｚｉｇｂｅｅ协议套件由高层应用规范、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Ｚｉｇ－Ｂｅｅ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：（１）８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，以容纳网络内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。

１．３整个协议构架在标准制定的分工上，由ＺｉｇＢｅｅＡｌｌｉａｎｃｅ与ＩＥＥＥ８０２．１５．４的任务小组共同制定，其中实体层、ＭＡＣ层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由ＩＥＥＥ所主导，并共同针对ＺｉｇＢｅｅＰｒｏｔｏｃｏｌＳｔａｃｋ的发展进行研讨，而未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用界面。

ＺｉｇＢｅｅ从８０２．１５．４标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要。

１．４ＩＰＶ６Ｏｖｅｒ８０２．１５．４ＺｉｇＢｅｅ联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。

它预言ＺｉｇＢｅｅ将很快成为全球高端的无线技术，到２００７年将达到３０亿节点。

具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的ＩＰｖ４的地址空间，但是ＺｉｇＢｅｅ的路由选择不依赖于ＩＰｖ６。

ＩＰｖ６采用１２８位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。

按保守方法估算，ＩＰｖ６实际可为整个地球的每平方米面积分配１０００多个地址。

ＩＰｖ６在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在ＩＰｖ４中解决不好的其他问题，如端到端ＩＰ连接、服务质量（ＱｏＳ）、安全性、多播、移动性、即插即用等。

因此，将ＩＰＶ６和８０２．１５．４的结合将是以后研究发展的方向，目前ＩＥＴＦ也在积极的制定Ｖ６ｏｖｅｒ１５．４的Ｄｒａｆｔ，其标准也不久将出台。

２ＺｉｇＢｅｅ技术的优势及应用２．１ＺｉｇＢｅｅ技术的主要优势及其与蓝牙和Ｗｉ－Ｆｉ的比较ＩＥＥＥ８０２．１５．４和ＺｉｇＢｅｅ从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。

这是由其主要技术优势决定的：（１）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。

（２）功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通５号干电池可使用六个月到两年，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。

（３）成本低：ＺｉｇＢｅｅ数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。

且免收专利费。

（４）网络容量大：每个ＺｉｇＢｅｅ网络最多可支持２５５２《电子技术应用》２００５年第６期本刊邮箱#ｅｔａ＠ｎｃｓｅ．ｃｏｍ．ｃｎ《电子技术应用》２００５年第６期欢迎网上投稿ｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｎｗｗｗ．ａｅｔｎｅｔ．ｃｏｍ．ｃｎ个设备。

（５）时延短：通常时延都在１５毫秒至３０毫秒之间。

（６）安全：ＺｉｇＢｅｅ提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用ＡＥＳ－１２８加密算法。

（７）有效范围小：有效覆盖范围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。

（８）工作频段灵活：使用频段为２．４ＧＨｚ、８６８ＭＨｚ（欧洲）及９１５ＭＨｚ（美国），均为免执照频段。

与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或ＰＤＡ联网用的。

它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了；一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理８个设备（一个主设备和７个从设备），如果更多的话，通讯速率则显著下降。

而８０２．１１，也被称作Ｗｉ－Ｆｉ也有类似的问题。

虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。

２．２可能应用及市场发展ＺｉｇＢｅｅ的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持６个月到数年的时间。