ZigBee無線通信技術及其應用探討

0引言

工業(yè)領域在現代化的進程中通過引入各種先進技術，實現了勞動生產率的提高和生產成本的下降。在這些技術中，最典型的就是數字化技術和現代通信技術。在現代工業(yè)數字化的基礎上，工業(yè)生產監(jiān)控早已突破了單回路控制與監(jiān)視的功能。隨著計算機軟硬件技術、網絡技術和工業(yè)綜合自動化系統整合水平的不斷發(fā)展，對數據接口的開放性、數據傳輸的實時性、數據連接的安全性等方面提出了更高的要求。許多大型企業(yè)其生產地域分散，業(yè)務分工復雜，往往設有一個或者多個控制中心，以及大量的現場數據采集點。這些采集點因分散而需要通過一定的通信手段來實現與中心控制單元間的數據交互，進而實現生產過程的自動化。由于傳統有線網絡本身的局限性，許多特殊環(huán)境下的網絡覆蓋和網絡支持仍然是個難題。比如在某些工業(yè)現場，一些工業(yè)環(huán)境禁止或限制使用電纜，而在其他一些工業(yè)環(huán)境要求完全把電纜屏蔽起來以高度防止來自大多數工業(yè)設施中的機器或其它無線電控制設備的干擾，更有一些高速旋轉的設備根本無法通過電纜來傳輸數據信息。而無線廣域網、無線局域網和無個人網技術卻能有效地提供對這些問題的解決方案。在現有的無線網絡技術發(fā)展條件下，無線標準增加了靈活性，并降低了集成專利無線通信的風險。在工控場合的應用條件下，短距離的無線傳輸尤其受到矚目。在最近的幾年中，人們不斷探索，形成了當今令人眼花繚亂的無線通信協議和產品。最流行的短距離無線數據通信的標準有藍牙（Bluetooth）、Wi-Fi（IEEE802.11）、IrDA以及極具發(fā)展?jié)摿?、已被眾多業(yè)界認可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。

1幾種無線傳輸技術及其比較

1.1藍牙（BlueTooth）

藍牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994年開始研究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。1998年，愛立信、諾基亞、IBM等公司共同推出了藍牙技術，主要用于通信和信息設備的無線連接。

它的工作頻率為2.4GHz，有效范圍大約在10m半徑內。Bluetooth列入了IEEE802.15.1，規(guī)定了包括PHY、MAC、網絡和應用層等集成協議棧。為對語音和特定網絡提供支持，需要協議棧提供250kB系統開銷，從而增加了系統成本和集成復雜性。另外，Bluetooth對每個“Piconet”（微微網）有只能配置7個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網絡開發(fā)中的應用。

1.2Wi-Fi（IEEE802.11）

Wi-Fi（WirelessFidelity，無線高保真）也是一種無線通信協議。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。目前，IEEE802.11標準還沒有被工業(yè)界廣泛接受。

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。Wi-Fi規(guī)定了協議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/IP作為網絡層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價等，因此大多數便攜Wi-Fi裝置都需要常規(guī)充電。這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應用。

1.3IrDA

紅外線數據協會IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。IrDA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。IrDA用于工業(yè)網絡上的最大問題在于只能在2臺設備之間連接，并且存在有視距角度等問題。

1.4ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）技術是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術和擴頻技術。另外，它可與254個節(jié)點聯網。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、傳感器網絡、家庭監(jiān)控、安全系統等領域有很大的發(fā)展空間。

幾種常用無線傳輸方式的主要性能比較見表1。

2ZigBee的技術內容及特點

ZigBee是最新確定的商業(yè)名稱，在以前曾被發(fā)起者以“HomeRFlite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。

為了滿足類似于傳感器的小型、低成本設備無線聯網的要求，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聯盟成立于2001年8月。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，該聯盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導體生產商、IP服務提供商、消費類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開發(fā)ZigBee物理和媒體控制層技術標準的IEEE802.15.4工作組。在工業(yè)、農業(yè)、車載電子系統、家用網絡、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機構等領域，對于無線網絡的要求與民用場合有很大區(qū)別。它通常對數據吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，簡單方便、可以隨意使用的無線裝置大量涌現，需要布置大量的無線接入點，而低廉的價格將起著關鍵作用。所以ZigBee標準要解決的問題是設計一個維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無線收發(fā)信機。要考慮的核心問題是低功耗和低價格的設計，這就要求該標準應提供低帶寬、低數據傳輸率的應用。

2.1ZigBee的特點

①低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

②成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

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網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，而且網絡組成靈活。

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)送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發(fā)。

⑥安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，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。

2.2ZigBee與IEEE802.15.4的聯系

人們常會把ZigBee和IEEE802.15.4等同起來，其實兩者之間還是有所區(qū)別的：

①ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定義的功能強大的物理特性的優(yōu)點；

②ZigBee增加了邏輯網絡和應用軟件；

③ZigBee基于IEEE802.15.4射頻標準，同時Zig-Bee聯盟通過與IEEE緊密工作來確保一個集成的完整的市場解決方案；

④802.15.4工作組主要負責制定物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）層標準，而ZigBee負責網絡層和應用層的開發(fā)。

圖1示意了ZigBee的結構和分工。

2.3802.15.4協議架構及其技術特點

IEEE802.15.4滿足國際標準組織（ISO）開放系統互連（OSI）參考模式，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。ZigBee聯盟制定了MAC層以上協議，其協議套件由高層應用規(guī)范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。

2.3.1物理層

IEEE802.15.4提供了圖2所示的兩種物理層的選擇（868/915MHz和2.4GHz），物理層與MAC層的協作擴大了網絡應用的范疇。這兩種物理層都采用直接序列擴頻（DSSS）技術，降低了數字集成電路的成本，并且都使用相同的幀結構，以便低作業(yè)周期、低功耗地運作。

圖2兩種不同的物理層



2.4G物理層的數據傳輸率為250kbps，868/915MHz物理層的數據傳輸率分別是20kbps、40kbps。2.4GHz物理層的較高速率主要歸因于基于DSSS方法（16個狀態(tài)）的準正交調制技術。來自物理層收斂協議數據單元（PPDU）的二進制數據被依次（按字節(jié)從低到高）組成4位二進制數據符號，每種數據符號（對應16狀態(tài)組中的一組）被映射成32位偽噪音碼片，以便傳輸。然后采用最小移位鍵控方式MSKI對這個連續(xù)的偽噪音碼片序列進行調制，即采用半正弦脈沖波形的偏移四相移相鍵控（O-QPSK）方式調制。868/915MHz物理層使用簡單DSSS方法，每個PPDU數據傳輸位被最大長為15的碼片序列（m-序列）所擴展。不同的數據傳輸率適用于不同的場合，如868/915MHz物理層的低速率換取了較好的靈敏度（-85dbm/2.4G，-92dbm/868，915MHz）和較大的覆蓋面積，從而減少了覆蓋給定物理區(qū)域所需的節(jié)點數；而2.4G物理層的較高速率適用于較高的數據吞吐量、低延時或低作業(yè)周期的場合。

2.3.2介質訪問層

ZigBeeMAC層的設計需要考慮到降低成本、容易實現、可靠的數據傳輸、短距離操作及非常低的功耗等要求，為此采用了如下所示的簡單且靈活的協議：

①采用IEEE標準64-bit和16-bit短地址；

②基本網絡容量可以達到254節(jié)點；

③可以配置使用大于65，000（216）節(jié)點的本地簡單網絡，而且開銷不大；

④網絡協調器、全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD）等3種指定設備；

⑤簡化幀結構；

⑥可靠的數據傳輸；

⑦聯合/分離；

⑧AES-128安全機制；

⑨CSMA-CA通道；

⑩可選的使用信標的超級幀結構。

IEEE802.15.4MAC子層定義了廣播幀、數據幀、確認幀和MAC命令幀等4種幀類型。只有廣播幀和數據幀包含了高層控制命令或者數據，確認幀和MAC命令幀則用于ZigBee設備間MAC子層功能實體間控制信息的收發(fā)。廣播幀和確認幀不需要接收方的確認，而數據幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認，如果需要確認，并且已經通過了CRC校驗，接收方將立即發(fā)送確認幀。若發(fā)送方在一定時間內收不到確認幀，將自動重傳該幀。這就是MAC子層可靠傳輸的基本過程。MAC層的通用幀格式如圖3所示。



2.3.3網絡層
網絡層包括邏輯鏈路控制子層。802.2標準定義了LLC，并且通用于諸如802.3、802.11及802.15.1等ZigBee無線通信技術及其應用探討周怡P，等802系列標準中，而MAC子層與硬件聯系較為緊密，并隨不同物理層的實現而變化。網絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務，它們協同完成尋址、路由及安全這些不可或缺的任務。



IEEE802.15.4標準草案支持多種網絡拓撲結構，包括圖4所示的新型網狀網絡（Mesh）。計算機外圍設備等要求低延遲等待接入的應用一般采用星型網絡結構，而其它一些應用，如周邊安全等可能要求大面積網狀網絡的覆蓋。多址的形式包括IEEE標準64位和短地址8位。

3結束語

ZigBee是一個針對傳感器網絡、建筑自動化等應用的短距離無線技術規(guī)范。ZigBee是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，是為滿足小型、廉價設備的無線聯網和控制而制定的。它按高度省電要求設計，因此低功耗和較低數據傳輸率意味著不會和Wi-Fi等其它無線技術競爭，而是作為傳感路網絡等應用的性價比較高的方案。業(yè)界對它在上述領域的應用進展充滿信心。