一、引言
近年來，各種無線通信技術迅猛發展，極大提高了人們的工作效率和生活質量。然而，在日常生活中，我們仍然被各種電纜所束縛，能否在近距離范圍內實現各種設備之間的無線通信?縱觀目前發展較成熟的幾大無線通信技術，往往比較復雜，不但耗費較多資源，成本也比較高，并不適用于短距離無線通信的場合。藍牙技術的出現使得短距離無線通信成為可能，但是其協議較復雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業控制和家庭網絡。本文介紹了一種復雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術——ZigBee。該技術主要針對低速率傳感器網絡而提出，它能夠滿足小型化、低成本設備（如溫度調節裝置、照明控制器、環境檢測傳感器等）的無線聯網要求，能廣泛地應用于工業、農業和日常生活中。
二、ZigBee技術的特點及應用
ZigBee技術主要用于無線個域網（WPAN），是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的。IEEE802.15.4定義了兩個底層，即物理層和媒體接入控制（MediaAccess Control，MAC）層；ZigBee聯盟則在IEEE 802.15.4的基礎上定義了網絡層和應用層。ZigBee聯盟成立于2001年8月，該聯盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入，其目標市場是工業、家庭以及醫學等需要低功耗、低成本、對數據速率和QoS（服務質量）要求不高的無線通信應用場合。
ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式：蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協議相比，ZigBee無線協議復雜性低、對資源要求少，主要有以下特點：
低功耗：這是ZigBee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發信息功耗較低、以及采用了休眠機制，ZigBee終端僅需要兩節普通的五號干電池就可以工作六個月到兩年。
低成本：協議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了ZigBee的成本，每塊芯片的價格僅2美元，而且ZigBee協議是免專利費的。
時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。這樣一方面節省了能量消耗，另一方面更適用于對時延敏感的場合，例如一些應用在工業上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息，以及安裝在廚房內的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內獲取信息并傳輸給網絡控制者，從而阻止火災的發生。
傳輸范圍小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節點的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。
數據傳輸速率低：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段只有20kb/s。
數據傳輸的可靠性由于ZigBee采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，從而避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，保證了節點之間傳輸信息的高可靠性。
ZigBee的出現將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技術優勢，適合的應用領域主要有：
家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調、窗簾等家具設備的遠程控制以使其更加節能、便利，煙塵、有毒氣體探測器等可自動監測異常事件以提高安全性；
消費性電子設備：電視、DVD、CD機等電器的遠程遙控（含ZigBee功能的手機就可以支持主要遙控器功能）。
PC外設：無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等；
工業控制：利用傳感器和ZigBee網絡使數據的自動采集、分析和處理變得更加容易；
醫療設備控制：醫療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等；
交互式玩具。
三、ZigBee協議棧
ZigBee協議棧結構（圖1）是基于標準OSI七層模型的，包括高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、媒體接入層和物理層。
圖1 ZigBee協議棧
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩者均基于直接序列擴頻（DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS）技術。868MHz只有一個信道，傳輸速率為20kb/s；902MHz～928MHZ頻段有10個信道，信道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都采用BPSK調制。2.4GHz～2.4835 GHz頻段有16個信道，信道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調制。為了提高傳輸數據的可靠性，IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制（MAC）層采用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手協議。應用匯聚層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上，主要包括安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現和業務發現。
四、ZigBee網絡配置
低數據速率的WPAN中包括兩種無線設備：全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之間是無法通信的。RFD的應用相對簡單，例如在傳感器網絡中，它們只負責將采集的數據信息發送給它的協調點，并不具備數據轉發、路由發現和路由維護等功能。RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。
在一個ZigBee網絡中，至少存在一個FFD充當整個網絡的協調點，即PAN協調點，ZigBee中也稱作ZigBee協調點。一個ZigBee網絡只有一個PAN協調點。通常，PAN協調點是一個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網絡的主要控制者，它負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等。FFD和RFD都可以作為終端節點加入ZigBee網絡。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間（POS）中充當協調點，但它仍然受PAN協調點的控制。ZigBee中每個協調點最多可連接255個節點，一個ZigBee網絡最多可容納65535個節點。
五、ZigBee網絡的拓撲結構
ZigBee網絡的拓撲結構主要有三種，星型網、網狀（mesh）網和混合網。
星型網（圖2-a）是由一個PAN協調點和一個或多個終端節點組成的。PAN協調點必須是FFD，它負責發起建立和管理整個網絡，其它的節點（終端節點）一般為RFD，分布在PAN協調點的覆蓋范圍內，直接與PAN協調點進行通信。星型網通常用于節點數量較少的場合。
Mesh網（圖2-b）一般是由若干個FFD連接在一起形成，它們之間是完全的對等通信，每個節點都可以與它的無線通信范圍內的其它節點通信。Mesh網中，一般將發起建立網絡的FFD節點作為PAN協調點。Mesh網是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸的數據包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇。
圖2 ZigBee拓撲結構
Mesh網可以通過FFD擴展網絡，組成Mesh網與星型網構成的混合網（圖2-C）。混合網中，終端節點采集的信息首先傳到同一子網內的協調點，再通過網關節點上傳到上一層網絡的PAN協調點。混合網都適用于覆蓋范圍較大的網絡。
六、ZigBee組網技術
ZigBee中，只有PAN協調點可以建立一個新的ZigBee網絡。當ZigBeePAN協調點希望建立一個新網絡時，首先掃描信道，尋找網絡中的一個空閑信道來建立新的網絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協調點會為新網絡選擇一個PAN標識符（PAN標識符是用來標識整個網絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了PAN標識符，就說明已經建立了網絡，此后，如果另一個ZigBee協調點掃描該信道，這個網絡的協調點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協調點還會為自己選擇一個16bit網絡地址。ZigBee網絡中的所有節點都有一個64bitIEEE擴展地址和一個16 bit網絡地址，其中，16bit的網絡地址在整個網絡中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。
ZigBee協調點選定了網絡地址后，就開始接受新的節點加入其網絡。當一個節點希望加入該網絡時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網絡，如果找到了一個網絡，它就會進行關聯過程加入網絡，只有具備路由功能的節點可以允許別的節點通過它關聯網絡。如果網絡中的一個節點與網絡失去聯系后想要重新加入網絡，它可以進行孤立通知過程重新加入網絡。網絡中每個具備路由器功能的節點都維護一個路由表和一個路由發現表，它可以參與數據包的轉發、路由發現和路由維護，以及關聯其它節點來擴展網絡。
ZigBee網絡中傳輸的數據可分為三類：周期性數據，例如傳感器網中傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據不同的應用而確定；間歇性數據，例如電燈開關傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據應用或者外部激勵而確定；反復性的、反應時間低的數據，例如無線鼠標傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率是根據時隙分配而確定的。為了降低ZigBee節點的平均功耗，ZigBee節點有激活和睡眠兩種狀態，只有當兩個節點都處于激活狀態才能完成數據的傳輸。在有信標的網絡中，ZigBee協調點通過定期地廣播信標為網絡中的節點提供同步；在無信標的網絡中，終端節點定期睡眠，定期醒來，除終端節點以外的節點要保證始終處于激活狀態，終端節點醒來后會主動詢問它的協調點是否有數據要發送給它。在ZigBee網絡中，協調點負責緩存要發送給正在睡眠的節點的數據包。
七、結束語
ZigBee技術還在不斷完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術優勢，使它必將有著廣闊的應用前景。ZigBee聯盟預言在未來的四到五年內，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150個。相信在不久的將來，基于ZigBee技術的產品會走進全球每家每戶，在提高我們的生活質量方面作出突出的貢獻。
參考文獻
[1]ZigBeeAlliance，ZigBeeSpecification.
[2]ZigBeeoverview.http：//www.ZigBee.org/documents/ZigBeeOverview4.pdf
[3]ZigBeeArchitectureandSpecification Overview，http：//www.ZigBee.org/documents/ZigBee architecture and specifications overview.ppt
作 者：鄭柳剛 王英翔
近年來，各種無線通信技術迅猛發展，極大提高了人們的工作效率和生活質量。然而，在日常生活中，我們仍然被各種電纜所束縛，能否在近距離范圍內實現各種設備之間的無線通信?縱觀目前發展較成熟的幾大無線通信技術，往往比較復雜，不但耗費較多資源，成本也比較高，并不適用于短距離無線通信的場合。藍牙技術的出現使得短距離無線通信成為可能，但是其協議較復雜、功耗高、成本高等特點不太適用于要求低成本、低功耗的工業控制和家庭網絡。本文介紹了一種復雜度、成本和功耗都很低的低速率短距離無線接入技術——ZigBee。該技術主要針對低速率傳感器網絡而提出，它能夠滿足小型化、低成本設備（如溫度調節裝置、照明控制器、環境檢測傳感器等）的無線聯網要求，能廣泛地應用于工業、農業和日常生活中。
二、ZigBee技術的特點及應用
ZigBee技術主要用于無線個域網（WPAN），是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的。IEEE802.15.4定義了兩個底層，即物理層和媒體接入控制（MediaAccess Control，MAC）層；ZigBee聯盟則在IEEE 802.15.4的基礎上定義了網絡層和應用層。ZigBee聯盟成立于2001年8月，該聯盟由Invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入，其目標市場是工業、家庭以及醫學等需要低功耗、低成本、對數據速率和QoS（服務質量）要求不高的無線通信應用場合。
ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式：蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協議相比，ZigBee無線協議復雜性低、對資源要求少，主要有以下特點：
低功耗：這是ZigBee的一個顯著特點。由于工作周期短、收發信息功耗較低、以及采用了休眠機制，ZigBee終端僅需要兩節普通的五號干電池就可以工作六個月到兩年。
低成本：協議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了ZigBee的成本，每塊芯片的價格僅2美元，而且ZigBee協議是免專利費的。
時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。這樣一方面節省了能量消耗，另一方面更適用于對時延敏感的場合，例如一些應用在工業上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息，以及安裝在廚房內的煙霧探測器也需要在盡量短的時間內獲取信息并傳輸給網絡控制者，從而阻止火災的發生。
傳輸范圍小：在不使用功率放大器的前提下，ZigBee節點的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場所。
數據傳輸速率低：2.4GHz頻段為250kb/s，915MHz頻段為40kb/s，868MHz頻段只有20kb/s。
數據傳輸的可靠性由于ZigBee采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，從而避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，保證了節點之間傳輸信息的高可靠性。
ZigBee的出現將給人們的工作和生活帶來極大的方便和快捷，它以其低功耗、低速率、低成本的技術優勢，適合的應用領域主要有：
家庭和建筑物的自動化控制：照明、空調、窗簾等家具設備的遠程控制以使其更加節能、便利，煙塵、有毒氣體探測器等可自動監測異常事件以提高安全性；
消費性電子設備：電視、DVD、CD機等電器的遠程遙控（含ZigBee功能的手機就可以支持主要遙控器功能）。
PC外設：無線鍵盤、鼠標、游戲操縱桿等；
工業控制：利用傳感器和ZigBee網絡使數據的自動采集、分析和處理變得更加容易；
醫療設備控制：醫療傳感器、病人的緊急呼叫按鈕等；
交互式玩具。
三、ZigBee協議棧
ZigBee協議棧結構（圖1）是基于標準OSI七層模型的，包括高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、媒體接入層和物理層。
圖1 ZigBee協議棧
IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩者均基于直接序列擴頻（DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS）技術。868MHz只有一個信道，傳輸速率為20kb/s；902MHz～928MHZ頻段有10個信道，信道間隔為2MHz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個頻段都采用BPSK調制。2.4GHz～2.4835 GHz頻段有16個信道，信道間隔為5MHz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調制。為了提高傳輸數據的可靠性，IEEE 802.15.4定義的媒體接入控制（MAC）層采用了CSMA-CA和時隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手協議。應用匯聚層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上，主要包括安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現和業務發現。
四、ZigBee網絡配置
低數據速率的WPAN中包括兩種無線設備：全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之間是無法通信的。RFD的應用相對簡單，例如在傳感器網絡中，它們只負責將采集的數據信息發送給它的協調點，并不具備數據轉發、路由發現和路由維護等功能。RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。
在一個ZigBee網絡中，至少存在一個FFD充當整個網絡的協調點，即PAN協調點，ZigBee中也稱作ZigBee協調點。一個ZigBee網絡只有一個PAN協調點。通常，PAN協調點是一個特殊的FFD，它具有較強大的功能，是整個網絡的主要控制者，它負責建立新的網絡、發送網絡信標、管理網絡中的節點以及存儲網絡信息等。FFD和RFD都可以作為終端節點加入ZigBee網絡。此外，普通FFD也可以在它的個人操作空間（POS）中充當協調點，但它仍然受PAN協調點的控制。ZigBee中每個協調點最多可連接255個節點，一個ZigBee網絡最多可容納65535個節點。
五、ZigBee網絡的拓撲結構
ZigBee網絡的拓撲結構主要有三種，星型網、網狀（mesh）網和混合網。
星型網（圖2-a）是由一個PAN協調點和一個或多個終端節點組成的。PAN協調點必須是FFD，它負責發起建立和管理整個網絡，其它的節點（終端節點）一般為RFD，分布在PAN協調點的覆蓋范圍內，直接與PAN協調點進行通信。星型網通常用于節點數量較少的場合。
Mesh網（圖2-b）一般是由若干個FFD連接在一起形成，它們之間是完全的對等通信，每個節點都可以與它的無線通信范圍內的其它節點通信。Mesh網中，一般將發起建立網絡的FFD節點作為PAN協調點。Mesh網是一種高可靠性網絡，具有“自恢復”能力，它可為傳輸的數據包提供多條路徑，一旦一條路徑出現故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇。
圖2 ZigBee拓撲結構
Mesh網可以通過FFD擴展網絡，組成Mesh網與星型網構成的混合網（圖2-C）。混合網中，終端節點采集的信息首先傳到同一子網內的協調點，再通過網關節點上傳到上一層網絡的PAN協調點。混合網都適用于覆蓋范圍較大的網絡。
六、ZigBee組網技術
ZigBee中，只有PAN協調點可以建立一個新的ZigBee網絡。當ZigBeePAN協調點希望建立一個新網絡時，首先掃描信道，尋找網絡中的一個空閑信道來建立新的網絡。如果找到了合適的信道，ZigBee協調點會為新網絡選擇一個PAN標識符（PAN標識符是用來標識整個網絡的，因此所選的PAN標識符必須在信道中是唯一的）。一旦選定了PAN標識符，就說明已經建立了網絡，此后，如果另一個ZigBee協調點掃描該信道，這個網絡的協調點就會響應并聲明它的存在。另外，這個ZigBee協調點還會為自己選擇一個16bit網絡地址。ZigBee網絡中的所有節點都有一個64bitIEEE擴展地址和一個16 bit網絡地址，其中，16bit的網絡地址在整個網絡中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。
ZigBee協調點選定了網絡地址后，就開始接受新的節點加入其網絡。當一個節點希望加入該網絡時，它首先會通過信道掃描來搜索它周圍存在的網絡，如果找到了一個網絡，它就會進行關聯過程加入網絡，只有具備路由功能的節點可以允許別的節點通過它關聯網絡。如果網絡中的一個節點與網絡失去聯系后想要重新加入網絡，它可以進行孤立通知過程重新加入網絡。網絡中每個具備路由器功能的節點都維護一個路由表和一個路由發現表，它可以參與數據包的轉發、路由發現和路由維護，以及關聯其它節點來擴展網絡。
ZigBee網絡中傳輸的數據可分為三類：周期性數據，例如傳感器網中傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據不同的應用而確定；間歇性數據，例如電燈開關傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據應用或者外部激勵而確定；反復性的、反應時間低的數據，例如無線鼠標傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率是根據時隙分配而確定的。為了降低ZigBee節點的平均功耗，ZigBee節點有激活和睡眠兩種狀態，只有當兩個節點都處于激活狀態才能完成數據的傳輸。在有信標的網絡中，ZigBee協調點通過定期地廣播信標為網絡中的節點提供同步；在無信標的網絡中，終端節點定期睡眠，定期醒來，除終端節點以外的節點要保證始終處于激活狀態，終端節點醒來后會主動詢問它的協調點是否有數據要發送給它。在ZigBee網絡中，協調點負責緩存要發送給正在睡眠的節點的數據包。
七、結束語
ZigBee技術還在不斷完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術優勢，使它必將有著廣闊的應用前景。ZigBee聯盟預言在未來的四到五年內，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150個。相信在不久的將來，基于ZigBee技術的產品會走進全球每家每戶，在提高我們的生活質量方面作出突出的貢獻。
參考文獻
[1]ZigBeeAlliance，ZigBeeSpecification.
[2]ZigBeeoverview.http：//www.ZigBee.org/documents/ZigBeeOverview4.pdf
[3]ZigBeeArchitectureandSpecification Overview，http：//www.ZigBee.org/documents/ZigBee architecture and specifications overview.ppt
作 者：鄭柳剛 王英翔
粵公網安備 44030902003195號