ZigBee介紹

1. ZigBee網絡

   1. 什么是ZigBee技術

Zigbee在中國被譯為"紫蜂",是一種基於IEEE802.15.4協議的最近發展起來的一種短距離無線通信技術，功耗低，被業界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平台，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標准的75m無限擴展。

2. ZigBee版本

2002年10月 ZigBeeAlliance成立。

2004年11月 ZigBeeV1.0誕生，它是zigbee的第一個規范，但由於推出倉促，存在一些錯誤。

2005年06月 zigbeeV1.0正式發布。

2006年11月 推出ZigBee2006,比較完善。

2007年底 ZigBeePRO推出。

3. ZigBee技術特點

ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（歐洲流行)和915MHz（美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。作為一種無線通信技術,ZigBee具有如下特點:

1. 低功耗:由於ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為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,並且ZigBee協議是免專利費的。低成本對於ZigBee也是一個關鍵的因素。

3. 低復雜性：zigbee協議的大小一般在4-32KB，而藍牙和wi-fi一般都超過100KB。

4. 時延短:通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延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技術適用於對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

5. 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,一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡,而且網絡組成靈活。並且在一個網絡中最多可以有65000個節點連接。

6. 網絡建立：zigbee能夠自動建立其所想要的網絡。

7. 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開了發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。

8. 安全:ZigBee提供了基於循環沉余校驗(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. ZigBee組網

ZigBee標准網絡定義了三種類型（ZigBeedevice type），對這三種角色的行為的說明，是了解整個協議棧運作的很好切入點。

1. 角色介紹

在zigbee網絡中，不同的節點有不同的分工，根據其工作特性，可以分為以下幾類：

1. 協調者（Coordinator）：它是一個FFD節點，負責整個網絡的管理工作。每個網絡中有只有一個協調者。它具有以下幾個功能：

1. 選擇所用網絡的信道；

2. 從協調者開始，啟動網絡；

3. 分派網絡地址；

4. 允許其他設備加入或者退出其網絡；

5. 保存鄰接表和路由信息；

6. 傳輸應用數據包；

2. 路由節點（rooter）：它是一個FFD節點，一般被應用於樹形或者Mesh拓撲結構中擴大網絡覆蓋量。它用於去找到從源點到終點的一條最佳路徑來傳輸信息。路由節點除了不能建立網絡之外，和協調者相比較類似。

3. 終端設備（Enddivice）：它是一個RFD節點，被用於連接到路由節點或者協調者。終端節點完成以下2個任務：

1. 加入或者離開網絡；

2. 傳輸應用數據包；

4. Zigbee信任中心（ZigBeetrust centre）：它提供安全管理、安全密鑰分配和設備認證。

5. 網關（ZigbeeGateway）：連接zigbee網絡和其他網絡，例如局域網。

2. 網絡拓撲

ZigBee網絡有以下三種組網方式，星型網、簇型網和網狀網。其中紅色和藍色的節點（路由節點和協調員節點）才具有轉發功能，由他們構建網絡框架。

 

3. Zigbee協議棧

ZigBee協議棧基於標准的OSI七層模型，但只是在相關的范圍來定義一些相應層來完成特定的任務。IEEE802．15．4—2003標准定義了下面的兩個層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯盟在此基礎上建立了網絡層(NWK層)以及應用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應用支持子層(ApplicationSupport Sub—layer，APS)、ZigBee的設備對象(ZigBeeDevice 0bjects。ZD0)以及制造商定義的應用對象。

1. Zigbee與其他無線網絡標准的比較

目前，市場上無線網絡技術除了Zigbee外，主要有Wi-Fi(無線保真)、Bluetooth(藍牙)和NFC(近場通信)等。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網通信技術標准，如UWB(超寬帶)、Z-Wave等。這些技術在很大程度上是互補的，其不同之處或基於傳輸速度、距離、耗電量的特殊需要，或着眼於功能的擴充性，或符合某些單一應用場景的需要，或滿足競爭技術的差異化等。

Bluetooth和Wi-Fi一樣，同屬於在辦公室和家庭中使用的短距離無線通信技術。它們擁有非常大的無線技術容量，但並不像ZigBee一樣是以監控為明確目標的無線傳感器網絡應用標准。Bluetooth技術已高度成熟，具有多種規范，並能提供PANad-hoc(非網狀結構)聯網能力，現已廣泛應用於局域網絡中各類數據及語音設備，如PC、撥號網絡、筆記本電腦、打印機、傳真機、數碼相機、移動電話和高品質耳機等。Wi-Fi技術使用開放的2.4GHz附近的頻段，最大覆蓋范圍為100m。一般來說，帶有這個標志的產品表明可以利用它們方便地組建一個無線局域網。Wi-Fi目前有3個使用標准：IEEE802.11a/b/g，最高數傳率為54Mb/s。尚在孕育並值得期待的802.11n標准數傳率將達到150～600Mb/s。但是Wi-Fi收發器的功耗較大，集成到Mesh網絡比較困難，且價格也較高。

UWB原屬軍方專用技術，2002年2月美國聯邦通信委員會正式將其解禁。UWB一直被看作是Bluetooth技術的替代品，其數傳率達到100～480Mb/s，但覆蓋距離很短不超過10m。UWB已有芯片和模組產品，但沒有網狀網組網能力。

上述標准中最具可比性的是Bluetooth和ZigBee技術。ZigBee源於Bluetooth，但比后者更簡單，速率更慢，功率及費用也更低，且大多數時間處於睡眠模式，更加適用於那些不需要實時傳輸或連續更新的場合，如工業控制和監控領域。而且ZigBee是當前唯一面向無線傳感器網絡的技術標准，其網狀網組網能力使其應用范圍可伸延至數百、甚至數千米的廣泛區域，而Bluetooth則只為10~100m范圍內的短程網絡而設。就制造成本而言，ZigBee芯片現在遠比Bluetooth芯片便宜。

相對於現有的各種無線通信技術，ZigBee將是功耗和成本最低的技術，並且能夠用於Bluetooth、Wi-Fi、UWB、GPRS以及其他無線技術不能覆蓋的大部分應用領域。生產商最終可以利用ZigBee這個標准化無線網絡平台，設計出簡單、可靠、便宜又節能的各種電子產品。

2. 協議分析

IEEE 802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用於歐洲的868MHz頻帶，用於美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層並不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz, 2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區別，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發射機基帶部分的框圖(如圖1)，可以看到物理層部分非常簡單，而IEEE 802.15.4芯片的低價格正是得益於底層的簡單性。可能我們會擔心它的性能，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的情況下，IEEE 802.15.4要優於其他兩者。直接序列擴頻技術具有一定的抗干擾效果，同時在其他條件相同情況下傳輸距離要大於跳頻技術。在發射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基於IEEE 802.15.4的ZigBee在室內通常能達到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達到100m作用距離;同時調相技術的誤碼性能要優於調頻和調幅技術。因此綜合起來，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數據速率並不高，對於2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無線通信技術。

物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術，包括時分復用GTS技術和隨機接入信道技術CSMA/CA。不過ZigBee實際上並沒有對時分復用GTS技術進行相關的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專注於CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網絡所有節點都工作在同一個信道上，因此如果鄰近的節點同時發送數據就有可能發生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術，簡單來說，就是節點在發送數據之前先監聽信道，如果信道空閑則可以發送數據，否則就要進行隨機的退避，即延遲一段隨機時間，然后再進行監聽，這個退避的時間是指數增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監聽信道忙，則退避時間要增倍，這樣做的原因是如果多次監聽信道都忙，有可能表明信道上的數據量大，因此讓節點等待更多的時間，避免繁忙的監聽。通過這種信道接入技術，所有節點競爭共享同一個信道。在MAC層當中還規定了兩種信道接入模式，一種是信標(beacon)模式，另一種是非信標模式。信標模式當中規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發送信標幀，里面含有一些時序以及網絡的信息，緊接着是競爭接入時期，在這段時間內各節點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節點進入休眠狀態，等待下一個超幀周期的開始又發送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發送信標幀。顯然，在信標模式當中由於有了周期性的信標，整個網絡的所有節點都能進行同步，但這種同步網絡的規模不會很大。實際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。

MAC層往上就屬於ZigBee真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協議棧(圖3)。底層技術，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網絡層、應用支持子層(APS)、應用框架(AF)、ZigBee設備對象(ZDO)和安全組件(SSP)，均由ZigBee Alliance所制定。

這些部分當中最下面的是網絡層。和其他技術一樣，ZigBee網絡層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網絡層主要支持兩種路由算法—樹路由和網狀網路由。樹路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協議棧規范。它把整個網絡看作是以協調器為根的一棵樹，因為整個網絡是由協調器所建立的，而協調器的子節點可以是路由器或者是末端節點，路由器的子節點也可以是路由器或者末端節點，而末端節點沒有子節點，相當於樹的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協調器相當於蜂后，是唯一的，而路由器相當於雄蜂，數目不多，末端節點則相當於數量最多的工蜂。其實有很多地方仔細一想，就可以發現ZigBee和蜂群的許多暗合之處。樹路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個參數—深度、最大深度、最大子節點數和最大子路由器數來計算新節點的地址，於是尋址的時候根據地址就能計算出路徑，而路由只有兩個方向—向子節點發送或者向父節點發送。樹狀路由不需要路由表，節省存儲資源，但缺點是很不靈活，浪費了大量的地址空間，並且路由效率低，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee當中還有一種路由方法是網狀網路由，這種方法實際上是AODV路由算法的一個簡化版本，非常適合於低成本的無線自組織網絡的路由。它可以用於較大規模的網絡，需要節點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee當中還可以進行鄰居表路由，其實鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過只需要一跳就可以發送到目的節點。

網絡層的上面是應用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規定了一些和應用相關的功能，包括端點(endpoint)的規定，還有綁定(binding)、服務發現和設備發現等等。其中端點是應用對象存在的地方，ZigBee允許多個應用同時位於一個節點上，例如一個節點具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發文本消息的功能，這種設計有利於復雜ZigBee設備的出現。而綁定是用於把兩個“互補的”應用聯系在一起，如開關應用和燈的應用。更通俗的理解，“綁定”可以說是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開關需要控制“燈”，但它一開始並不知道“燈”這個應用所在的設備地址，也不知道其端點號，於是它可以廣播一個消息，當“燈”接收到之后給出響應，於是開關就可以記錄下“燈”的通信信息，以后就可以根據記錄的通信信息去直接發送控制信息了。服務發現和設備發現是應用層需要提供的，ZigBee定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務可以進行描述，於是可以通過這些描述符來尋找合適的服務或者設備。

ZigBee還提供了安全組件，采用了AES128的算法對網絡層和應用層的數據進行加密保護，另外還規定了信任中心(trust center)的角色—全網有一個信任中心，用於管理密鑰和管理設備，可以執行設置的安全策略。

3. ZigBee性能分析

上面對ZigBee協議棧作了一些介紹，要知道ZigBee能勝任什么工作，還需要作進一步的分析，主要有幾個方面：數據速率、可靠性、時延、能耗特性、組網和路由。

ZigBee的數據速率比較低，在2.4GHz的頻段也只有250kb/s，而且這只是鏈路上的速率，除掉幀頭開銷、信道競爭、應答和重傳，真正能被應用所利用的速率可能不足100kb/s，並且這余下的速率也可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個應用所瓜分。所以我們不能奢望ZigBee去做一些如傳輸視頻之類的高難度的事情，起碼目前是這樣，而應該聚焦於一些低速率的應用，比如人們早就給它找好的一個應用領域—傳感和控制。

至於可靠性，ZigBee有很多方面進行保證，首先是物理層采用了擴頻技術，能夠在一定程度上抵抗干擾，而MAC層和應用層(APS部分)有應答重傳功能，另外MAC層的CSMA機制使節點發送之前先監聽信道，也可以起到避開干擾的作用，網絡層采用了網狀網的組網方式(圖4)，從源節點到達目的節點可以有多條路徑，路徑的冗余加強了網絡的健壯性，如果原先的路徑出現了問題，比如受到干擾，或者其中一個中間節點出現故障，ZigBee可以進行路由修復，另選一條合適的路徑來保持通信(圖5、圖6)。據了解，在最新的ZigBee 2007協議棧規范當中，將會引入一個新的特性——頻率捷變(frequency agility)，這也是ZigBee加強其可靠性的一個重要特性。這個特性大致的意思是當ZigBee網絡受到外界干擾，比如Wi-Fi的干擾，無法正常工作時，整個網絡可以動態的切換到另一個工作信道上。

　　
時延也是一個重要的考察因素。由於ZigBee采用隨機接入MAC層，並且不支持時分復用的信道接入方式，因此對於一些實時的業務並不能很好支持。而且由於發送沖突和多跳，使得時延變成一個不易確定的因素。能耗特性是ZigBee的一個技術優勢。通常情況下，ZigBee節點所承載的應用數據速率都比較低，在不需要通信的時候，節點可以進入很低功耗的休眠狀態，此時能耗可能只有正常工作狀態的千分之一。由於一般情況下休眠的時間占總運行時間的大部分，有時可能正常工作的時間還不到1%，因此達到很高的節能效果。在這種情況下，ZigBee的網絡有可能依靠普通的電池連續運轉一兩年。當然，ZigBee節點能夠方便的在休眠狀態和正常運行狀態之間靈活的切換，和它底層的特性是分不開的。ZigBee從休眠狀態轉換到活躍狀態一般只需要十幾毫秒，而且由於使用直接擴頻而不是跳頻技術，重新接入信道的時間也很快。

最后是組網和路由特性，它們屬於網絡層的特性，ZigBee在這方面做得相當出色。首先是大規模的組網能力——ZigBee可以支持每個網絡多達六萬多個節點，相比之下，Bluetooth只支持每個網絡8個節點。這是因為ZigBee的底層采用了直擴技術，如果采用非信標模式，網絡可以擴展得很大，因為不需要同步。而且節點加入網絡和重新加入網絡的過程也很快，一般可以做到一秒以內甚至更快，而Bluetooth通常需要3s時間。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由，因此可以布設范圍很廣的網絡，並且支持多播和廣播的特性，能夠給豐富的應用帶來有力的支撐。

4. ZigBee技術發展趨勢

ZigBee技術將朝着開發SoC(片上系統)、更多規范、與IPv6結合、更廉價、更省電、更快速等方向發展。

ZigBee應用產品市場的培育和發展也是ZigBee技術發展重點方向。ZigBee產品應用在國際市場上將會有快速成長的機會，成長的動力來自於Zigbee聯盟和業界廠商的大力推廣，更完善的Zigbee標准制定、Zigbee芯片成本的不斷下降以及與其他網絡技術的互相結合並產生互補優勢。

當然，在中國市場，Zigbee產品的應用爆發還需要更長一段時間，中國的無線網絡市場還未成熟，本土廠商的參與度還非常有限，對中國市場來說，無線自動抄表系統、車用無線領域等工業級應用和高端市場將或是市場主要發力點，而中國家用無線自動控制系統、便攜設備市場還處於培育階段，Zigbee要在其中扮演重要角色尚待時日。

綜上所述，作為新興的短距離無線通信技術，Zigbee產品將以各種各樣的方式快步向我們走來，成為人類工作和生活中不可或缺的一部分。