1、引言
隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點。各種網(wǎng)絡(luò)終端的出現(xiàn)、工業(yè)控制" title="工業(yè)控制">工業(yè)控制的自動化和家庭的智能化等都迫切需要一種具備低成本、近距離、低功耗" title="低功耗">低功耗、組網(wǎng)能力強等優(yōu)點的無線互聯(lián)標準，Zigbee" title="Zigbee">Zigbee就是在這樣的背景下應(yīng)運而生的。Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司共同宣布，將加盟“Zigbee聯(lián)盟”來研發(fā)下一代無線通信標準“Zigbee”。這一標準主要用于近距離無線連接，適合承載數(shù)據(jù)流量較小的工業(yè)控制、醫(yī)用設(shè)備控制、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和消費性電子設(shè)備等。
2、Zigbee技術(shù)
(1)Zigbee與IEEE802.15.4
Zigbee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件等方面的技術(shù)標準。Zigbee技術(shù)并不是完全獨立、全新的標準，它的物理層、MAC層采用了IEEE802.15.4協(xié)議標準。
IEEE802.15.4標準是由IEEE無線個人局域網(wǎng)(PAN)工作組制定的。這一標準旨在為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速率" title="低速率">低速率連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域。IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段物理層和868MHz(歐洲)/915 MHz(北美)頻段物理層。在802.15.4標準中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kbit/s的信道，在915 MHz頻段有10個40 kbit/s的信道，在868 MHz頻段有1個20 kbit/s的信道。
Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4物理層、MAC層的基礎(chǔ)上，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用程序接口(API)進行了標準化，并對安全層進行了開發(fā)。完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。應(yīng)用匯聚層是把不同的應(yīng)用映射到Zigbee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全屬性設(shè)置和多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能;網(wǎng)絡(luò)層則可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織和自維護，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的維護成本。Zigbee協(xié)議構(gòu)架如圖1所示。
圖1 Zigbee協(xié)議構(gòu)架
(2)Zigbee的特點
Zigbee技術(shù)在短距離無線通信領(lǐng)域有著較大的優(yōu)勢，這主要是它的自身特點決定的。Zigbee的特點如下。
低功耗：在低功耗待機狀態(tài)下，兩節(jié)五號干電池可使用6～24個月，從而免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
短時延：Zigbee的響應(yīng)速度快，一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms，節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。
低速率：Zigbee工作在20～250kbit/s的較低速率，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>
近距離：有效覆蓋范圍為10～100m，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。
低成本：Zigbee簡單而緊湊的協(xié)議大大降低了其對通信控制的要求，而且Zigbee免協(xié)議專利費。
大容量：Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。
高安全性：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)能力，采用AES-128加密算法。
免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)、868MHz(歐洲)。
(3)Zigbee與藍牙技術(shù)的比較
Bluetooth(藍牙)技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與通信的開放性標準，它基本上只是設(shè)計作為有線的替代品。藍牙也工作在2.4GHzISM頻段，使用跳頻" title="跳頻">跳頻頻譜擴展技術(shù)。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不可能達到幾年。一般情況下，藍牙同一時間只能處理8個設(shè)備，如果更多的話，通信速率將顯著下降。
藍牙技術(shù)和Zigbee都致力于短距離無線連接，有很多相似之處，但也有很多不同點。Zigbee與藍牙的特征比較如表1所示。
表1 Zigbee與Bluetooth特征比較
由表1我們可以清楚地看到Bluetooth技術(shù)集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持續(xù)時間、節(jié)點數(shù)以及反應(yīng)時間等方面都無法與Zigbee相比擬。可以說Zigbee填補了低速率端無線通信技術(shù)的空缺，而且它與其他標準在應(yīng)用上幾乎是無交叉的，這使得Zigbee在工業(yè)控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中比Bluetooth更具有優(yōu)勢。
3、Zigbee的高節(jié)能性
Zigbee之所以得到眾多廠商的大力支持，其低功耗特性是主要原因之一。對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應(yīng)用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設(shè)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。
由于Zigbee應(yīng)用的低帶寬要求，Zigbee節(jié)點可以在大部分時間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)" title="睡眠狀態(tài)">睡眠狀態(tài)，以節(jié)省電池能量。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點將被快速喚醒并進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，結(jié)束發(fā)送后又會轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。Zigbee可以在15ms或更短的時間內(nèi)由睡眠狀態(tài)進入工作狀態(tài)，因此即使處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點也能做到低時延。
Zigbee強大的節(jié)能性大部分應(yīng)歸功于IEEE802.15.4技術(shù)，因為后者本身就是為低功率而設(shè)計的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列擴頻)技術(shù)取代FHSS(跳頻頻譜擴展)技術(shù)，因為跳頻頻譜擴展技術(shù)為了保持同步跳頻會消耗較多的功率。
Zigbee采用一種“準備好才發(fā)送”的通信策略，它只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再等待自動確認。“準備好才發(fā)送”是一種“面對面”式的方案，是一種能量效率非常高的方案。而且，這種“面對面”式策略使得射頻干擾非常低，這主要是由于Zigbee節(jié)點具有非常低的占空比，只偶爾發(fā)射信號且只發(fā)送少量的數(shù)據(jù)。
不過，Zigbee的“準備好才發(fā)送”方案并不是萬能的。例如，在一個由成千上萬個微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)中，這種方案節(jié)省的能量可能仍不夠用。由于每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都定期發(fā)送數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)必須經(jīng)過附近其他的節(jié)點多次反復(fù)傳送才能到達網(wǎng)絡(luò)控制器，大量的數(shù)據(jù)包沖突和重復(fù)傳送會浪費能量，這樣就會縮短傳感器節(jié)點的電池壽命。如果傳感器電池非常小并且能量有限的話，就不能滿足系統(tǒng)供電的要求。
但Zigbee仍有更多的節(jié)能設(shè)計。它通過減少對相關(guān)處理的需要來進一步節(jié)省能量。Zigbee協(xié)議棧非常簡單，占用很少的內(nèi)存，一個8位處理器就可以輕松地完成Zigbee的任務(wù)，例如一個功能強大的全功能設(shè)備(FullFunctionDevice，F(xiàn)FD)需要大約32KB內(nèi)存，而一個精簡功能設(shè)備(Reduced Function Device，RFD)只需要4 KB內(nèi)存。而藍牙技術(shù)則需要約250 KB的內(nèi)存，Zigbee相對簡單地實現(xiàn)也節(jié)省了費用。
4、Zigbee技術(shù)的應(yīng)用前景
Zigbee的出發(fā)點是要發(fā)展一種容易建設(shè)的低成本無線網(wǎng)絡(luò)。依據(jù)Zigbee聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設(shè)想，產(chǎn)品應(yīng)提供一站式的解決方案，使不熟悉RF技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內(nèi)置的協(xié)議棧可完成Zigbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標準接口進行應(yīng)用軟件編程即可。
Zigbee主要應(yīng)用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。通常，符合下列條件的應(yīng)用都可以考慮采用Zigbee技術(shù)：設(shè)備距離短;設(shè)備成本低、數(shù)據(jù)傳輸量小;設(shè)備體積小，沒有充足的電力支持;需要覆蓋的范圍較大，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多;網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測或控制。例如，PC外設(shè)(鼠標、鍵盤、游戲操控桿等)、消費類電子設(shè)備(VCR、DVD等設(shè)備的遙控裝置)、家庭智能控制(照明、煤氣計量和報警等)、玩具、醫(yī)療護理和工業(yè)控制等領(lǐng)域。