ZigBee无线通信技术及其应用探讨

0 引言

工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。在这些技术中，最典型的就是数字化技术和现代通信技术。在现代工业数字化的基础上，工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功能。随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。许多大型企业其生产地域分散，业务分工复杂，往往设有一个或者多个控制中心，以及大量的现场数据采集点。这些采集点因分散而需要通过一定的通信手段来实现与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。比如在某些工业现场，一些工业环境禁止或限制使用电缆，而在其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其它无线电控制设备的干扰，更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传输数据信息。而无线广域网、无线局域网和无个人网技术却能有效地提供对这些问题的解决方案。在现有的无线网络技术发展条件下，无线标准增加了灵活性，并降低了集成专利无线通信的风险。在工控场合的应用条件下，短距离的无线传输尤其受到瞩目。在最近的几年中，人们不断探索，形成了当今令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。最流行的短距离无线数据通信的标准有蓝牙（ Bluetooth ）、Wi-Fi（IEEE802.11）、IrDA 以及极具发展潜力、已被众多业界认可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。

1 几种无线传输技术及其比较

1 .1 蓝牙（BlueTooth）

蓝牙（BlueTooth）最早是爱立信在1994 年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块。1998 年，爱立信、诺基亚、IBM 等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。

它的工作频率为2.4GHz，有效范围大约在10m 半径内。Bluetooth 列入了IEEE802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250kB 系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。另外，Bluetooth 对每个“Piconet”（微微网）有只能配置7 个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。

1 .2 Wi-Fi（IEEE802 .11）

Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。IEEE802 . 11 的最初规范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。目前，IEEE802 .11 标准还没有被工业界广泛接受。

IEEE802 .11 流行的几个版本包括“a”（在5.8GHz 波段带宽为54MBps）、“b”（波段2.4GHz 带宽为11MBps）、“g”（波段2.4GHz 带宽为22MBps）。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。Wi-Fi 规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，并依赖TCP/ IP 作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价等，因此大多数便携Wi-Fi 装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。

1 .3 IrDA

红外线数据协会IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993 年。IrDA 是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA 标准的无线设备传输速率已从115.2kbps 逐步发展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。IrDA 用于工业网络上的最大问题在于只能在2 台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。

1 .4 ZigBee

ZigBee（IEEE802.15.4）技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254 个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。

几种常用无线传输方式的主要性能比较见表1。

2 ZigBee 的技术内容及特点

ZigBee 是最新确定的商业名称，在以前曾被发起者以“HomeRF lite”、“Firefly”和“RF-EasyLink”等命名。

为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，2000 年12 月IEEE 成立了IEEE802.15.4 工作组，致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用，且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。

ZigBee 联盟成立于2001 年8 月。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及OEM 商等，例如Honeywell、Eaton 和Invensys MeteringSystems 等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel 之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee 物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4 工作组。在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域，对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。它通常对数据吞吐量的要求很低，功率消耗要低。此外，简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要布置大量的无线接入点，而低廉的价格将起着关键作用。所以ZigBee 标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。

2 .1 ZigBee 的特点

① 低功耗：由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

② 成本低：ZigBee 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快就能降到1.5 ～ 2.5 美元，并且ZigBee 协议是免专利费的。低成本对于ZigBee 也是一个关键的因素。

③ 时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

④ 网络容量大：一个星型结构的ZigBee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

⑤ 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

⑥ 安全：ZigBee 提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES - 128 的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

2 .2 ZigBee 与IEEE802.15.4 的联系

人们常会把ZigBee 和IEEE802.15.4 等同起来，其实两者之间还是有所区别的：

① ZigBee 完整、充分地利用了IEEE802.15.4 定义的功能强大的物理特性的优点；

② ZigBee 增加了逻辑网络和应用软件；

③ ZigBee 基于IEEE802.15.4 射频标准，同时Zig-Bee 联盟通过与IEEE 紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案；

④ 802.15.4 工作组主要负责制定物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准，而ZigBee 负责网络层和应用层的开发。

图1 示意了ZigBee 的结构和分工。

2 .3 802.15.4 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，定义了单一的MAC 层和多样的物理层。ZigBee 联盟制定了MAC 层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

2 .3 .1 物理层

IEEE802.15.4 提供了图2 所示的两种物理层的选择（868 / 915MHz 和2.4GHz），物理层与MAC 层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频（DSSS）技术，降低了数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，以便低作业周期、低功耗地运作。

图2 两种不同的物理层 


 
2.4G 物理层的数据传输率为250kbps，868 / 915MHz物理层的数据传输率分别是20kbps、40kbps。2.4GHz物理层的较高速率主要归因于基于DSSS 方法（16 个状态）的准正交调制技术。来自物理层收敛协议数据单元（PPDU）的二进制数据被依次（按字节从低到高）组成4 位二进制数据符号，每种数据符号（对应16 状态组中的一组）被映射成32 位伪噪音码片，以便传输。然后采用最小移位键控方式MSKI 对这个连续的伪噪音码片序列进行调制，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控（O - QPSK）方式调制。868 / 915MHz 物理层使用简单DSSS 方法，每个PPDU 数据传输位被最大长为15 的码片序列（m- 序列）所扩展。不同的数据传输率适用于不同的场合，如868 / 915MHz 物理层的低速率换取了较好的灵敏度（ - 85dbm/ 2.4G，- 92dbm/ 868，915MHz）和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数；而2.4G 物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。

2 .3 .2 介质访问层

ZigBeeMAC 层的设计需要考虑到降低成本、容易实现、可靠的数据传输、短距离操作及非常低的功耗等要求，为此采用了如下所示的简单且灵活的协议：

① 采用IEEE 标准64 - bit 和16 - bit 短地址；

② 基本网络容量可以达到254 节点；

③ 可以配置使用大于65，000（216）节点的本地简单网络，而且开销不大；

④ 网络协调器、全功能设备（FFD）和简化功能设备（RFD）等3 种指定设备；

⑤ 简化帧结构；

⑥ 可靠的数据传输；

⑦ 联合/ 分离；

⑧ AES - 128 安全机制；

⑨ CSMA - CA 通道；

⑩ 可选的使用信标的超级帧结构。

IEEE802.15.4MAC 子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC 命令帧等4 种帧类型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC 命令帧则用于ZigBee 设备间MAC 子层功能实体间控制信息的收发。广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和MAC 命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了CRC 校验，接收方将立即发送确认帧。若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传该帧。这就是MAC 子层可靠传输的基本过程。MAC 层的通用帧格式如图3 所示。 


 
2 .3 .3 网络层
网络层包括逻辑链路控制子层。802.2 标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3、802.11 及802.15.1 等ZigBee 无线通信技术及其应用探讨周怡窹，等802 系列标准中，而MAC 子层与硬件联系较为紧密，并随不同物理层的实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些不可或缺的任务。 


 
IEEE802.15.4 标准草案支持多种网络拓扑结构，包括图4 所示的新型网状网络（Mesh）。计算机外围设备等要求低延迟等待接入的应用一般采用星型网络结构，而其它一些应用，如周边安全等可能要求大面积网状网络的覆盖。多址的形式包括IEEE 标准64 位和短地址8 位。

3 结束语

ZigBee 是一个针对传感器网络、建筑自动化等应用的短距离无线技术规范。ZigBee 是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为满足小型、廉价设备的无线联网和控制而制定的。它按高度省电要求设计，因此低功耗和较低数据传输率意味着不会和Wi - Fi 等其它无线技术竞争，而是作为传感路网络等应用的性价比较高的方案。业界对它在上述领域的应用进展充满信心。