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ZigBee:面向WSN的通讯标准
2007/2/1 11:54:43    产通学院,365PR NET

ZigBee技术是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现新食物源的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。

目前,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络(3G)目的在于提供多媒体无线服务,局域网范围内的标准从IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的数据速率。而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。

1、ZigBee特点

ZigBee过去又称为HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术。这种无线通信技术具有如下特点:

(1)功耗低:工作模式情况下,ZigBee技术传输速率低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很短,其次在非工作模式时,ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式,使得ZigBee节点非常省电,ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时,由于电池时间取决于很多因素,例如电池种类、容量和应用场合,ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用,碱性电池可以使用数年,对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况,电池的寿命甚至可以超过10年。

(2)数据传输可靠:ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时则立刻传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,并进行确认信息回复,若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。
 
(3)网络容量大:ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件,要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其它全功能器件通话,而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。

一个ZigBee网络最多包括有255个ZigBee网络节点,其中一个是主控(Master)设备,其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网络节点,再加上各个Network Coordinator可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。
 
(4)兼容性:ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)方式进行信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。

(5)安全性:Zigbee提供了数据完整性检查和权限识别功能,在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式,对于某种应用,如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。
 
(6)实现成本低:模块的初始成本估计在6美元左右,很快就能降到1.5-2.5美元,且Zigbee协议免专利费用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元,而ZigBee的价格目标仅为几美分。

2、ZigBee发展历程

在标准制订方面,ZigBee主要由IEEE 802.15.4小组与ZigBee联盟分别负责硬件与软件标准制订,两者的角色与分工类似IEEE 802.11小组和Wi-Fi组织的关系。

(1)802.15.4标准
 
2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)在低速无线个人局域网络(Low-Rate Wireless Personal and Network:LR-WPAN)的规范,并在2003年5月通过IEEE 802.15.4标准。IEEE 802.15.4小组为了降低复杂度、提高安全机制的使用弹性以及考虑新频带分配等原因,开始着手制定IEEE 802.15.4b标准,而IEEE 802.15.4b已于2006年6月通过,此标准可有效简化架构并改善互通性,进而提高系统稳定度。

在IEEE802.15.4网络中,把装置(Device)区分成全功能装置(Full Functional Device:FFD)及简化功能装置(Reduced Functionality Device:RFD)。两个或是两个以上的装置在同一个频道中,可以构成一个无线个人局域网络,全功能装置可以和其它装置通讯,并可成为网络协调者(PAN Coordinator),而简化功能装置通常仅和一个全功能装置通讯,而且不能成为网络协调者。而且在一个WPAN中必须包含至少一个全功能装置以作为个人局域网络之协调者。

(2)ZigBee联盟

ZigBee联盟是2002年10月由Honeywell、Invensys、Mitsubishi、Motorola与Philips共同成立的,ZigBee联盟负责制订网络层、安全管理、应用界面规范,并且须肩负互通测试,2004年12月正式定案Zigbee 1.0(ZigBee-2004),但大部分厂商则以2005年9月公布的标准作为规范,来制作ZigBee协议堆栈。2006年10月,ZigBee联盟制定完成ZigBee 2006(又称ZigBee 1.1),并于2007年1月开放网络下载。此外,ZigBee 2007(又称ZigBee Pro)的初稿也在2006年11月完成。

在ZigBee 2006的技术规范中主要新增了以下的功能:
(1)新增了ZCL(ZigBee cluster library)。
(2)新增Group Devices,可以将多个组件进行组合,允许单独的组件从属于某个群组。
(3)新增multicast机能。
(4)移除KVP(Key Value Pair)的信息格式。
(5)新增无线配置OTA(Over the Air)的功能,使用者可直接透过OTA来动态实时更新组件韧体。

在ZigBee 2007中,ZigBee Alliance进一步增加新的寻址功能,而不依据原本Cskip的分布式寻址机制,在其网络中改用AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector)路由方式。ZigBee 1.0中只定义Home Controls lighting的Profile,在ZigBee 1.1则定义了Commercial Building Automation、Industrial Plant Monitoring及Home Automation。而ZigBee 2007预计加入WSN的Profiles。虽然ZigBee Alliance一直持续对ZigBee规格进行改善,但也造成这三个版本彼此可能无法完全兼容,从而形成推广上的问题。

2006年10月,IEEE 802.15.4a小组选定由Nanotron科技设计的宽带线性调频扩频(Chirp Spread Spectrum)物理层技术作为基准物理层标准。该技术是专门锁定实时精确定位(real-time precision location)和传感网络应用。

2007年10月2日,ZigBee联盟为ZigBee规格推出全面的新功能。2006年推出的原有功能组现在称为ZigBee Feature Set。ZigBee还推出一套名为ZigBee PRO的功能组,新Feature Set的设计可以彼此互通,确保长期使用的性能与稳定性。功能加强后的ZigBee PRO Feature Set特色如下:
• 网络扩充功能(Network Scalability),加强对较大型网络的支持,提供更多的管理、弹性、与性能方面的选择;
• 封包拆解功能(Fragmentation),将较长信息加以切割的新功能,可与其它协议和系统互动;
• 快速频率切换(Frequency Agility),如果发生干扰,网络就会迅速切换频道;
• 自动设备地址管理功能(Automated Device Address Management),特别适用于较大型网络,增加了网络管理和配置工具;
• 组群地址功能(Group Addressing),提供大型网络所需要的数据流最佳化(traffic optimization);
• 无线启用功能(Wireless Commissioning),增加安全的无线启用功能;
• 集中式数据收集功能(Centralized Data Collection),特别用于大型网络信息流量的最佳化。

3、ZigBee规格

(1)IEEE 802.15.4物理层

ZigBee的物理层负责启动和停止无线电收发器、选择通道、能量侦测以及封包的传送和接收等功能。

IEEE 802.15.4在物理层(PHY)所用的通讯技术是直接序列展频(DSSS),传输频率则有2.4GHz、915MHz和868MHz三种。媒体存取控制(MAC)层方面,则是采用CSMA/CA方式,因此在传输之前,会先检查信道是否有数据传输,若信道无数据传输,再开始进行数据传输动作,若是产生碰撞,则稍后重新再传。

IEEE 802.15.4定义了2种网络拓扑:星状网络拓扑(Star及对等网络拓扑。在星状网络拓扑中,装置可以和网络协调者互传数据,而在对等网络拓扑中,装置除了可以和网络协调者互传数据数据外,装置之间也可以互传数据。不管在星状网络拓扑或是对等网络拓扑,如果采用了Superframce的架构,就称为Beacon-enable Network,如果不是就称为Non-beacon Network。

IEEE 802.15.4标准设计四种封包结构传输数据,称为物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit, PPDU),这四种封包分别为信标框架(beacon frame)、数据框架(data frame)、回复框架(acknowledgement frame)和媒体存取控制层指令框架(MAC command frame),基本上框架架构相同。PPDU是由同步标头(synchronization header, SHR)、物理层标头(PHY header, PHR)和物理层服务数据单元(PHY service data unit, PSDU)所组成。而同步标头由前导信号(preamble)和开始位(start of frame delimiter, SFD)所组成,preamble长度为32位,所有的位都是0,SFD长度为8个位,为{11100101},PHY标头长度为8个位,第一个位是保留位0,其于7个位用来表示PSDU的长度。PSDU的长度范围是0-127位。

(2)IEEE 802.15.4媒体存取控制层
 
ZigBee的媒体存取控制层提供MAC信息服务和管理服务,负责信标(beacon)管理、信道接取、保障时槽(guaranteed time slots, GTS)管理、框架验证、回复框架之传输及加盟(association)与终止加盟(disassociation)。IEEE 802.15.4支持全功能(full function device, FFD)及精简功能(reduced function device, RFD)两类的装置,全功能装置可支持任何网络拓扑架构,可担任网络协调者(PAN coordinator),并可与所有其它装置通信。减缩功能装置只存在于星状拓扑中,只能与网络协调者通话,且不能成为网络协调者。减缩功能装置的好处是易于实现。

IEEE 802.15.4网络主要可以分成两种拓扑,一种是星状拓扑,很多网络装置围绕着这一全功能装置,中心之全功能装置为网络协调者,它就像个集线器(hub)收集多个全功能或精简功能装置当作数据终端机。另外一种拓扑为点对点(peer-to-peer)配接,网络装置不必一定要和网络协调者连接(网络内一定有一个网络协调者),点对点配接网络中的全功能装置可以进行多向通讯链接,而精简功能装置只能与全功能装置进行通讯链接。因为有多向的通讯链接,点对点(peer-to-peer)配接可以升级成多变复杂的网状(mesh)和丛列树状(cluster tree)等形式网络。

(3)ZigBee网络层

ZigBee网络层包含加入(join)及离开(leave)网络的机制、框架安全机制以及把框架传输到目的地。此外,网络层的任务还包括传递路径的发掘与维护。为了达到这个目的,网络层必须知道紧临的装置,并储存这些直接相连装置的信息。

ZigBee网络中的协调者,负责开始建立一个网络和指定地址给其它的装置。ZigBee网络层支持星状、树状和网状三种拓扑。在星状拓扑中,所有装置只与单一的协调者通信,在树状网络中,数据及控制信息是透过阶层(hierarchical)的方式传输,在网状拓扑中允许所有pear-to-pear通讯。ZigBee网络层提供信息传输及网络管理两种服务,并维持一个网络信息库(network Information Base, NIB)。

(4)ZigBee应用层

ZigBee应用层包含应用次层(Application Support, APS)、ZigBee装置组件(ZigBee device object, ZDO)和制造商所定义的应用对象(application objects)。APS次层提供网络层与应用层之间的接口,维持对象之间的连结表(binding table),并在连结的装置之间传递信息,它也维持了一个APS信息库(APS Information Base, AIB)。ZDO的功能包括起始应用支持次层、网络层以及安全服务等。ZDO并负责建构上层应用所需的信息、发出或响应连结的要求,发现同一个网络上的装置与应用服务、以及在网络上的装置之间建立安全的关系等。

3、基于ZigBee技术的应用

采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。其典型应用领域如下:
 
(1)数字家庭领域:可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等,例如在灯泡中装置ZigBee模块,则人们要开灯,就不需要走到墙壁开关处,直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时,灯光会自动减弱;当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时,电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息,传送到中央控制设备,或是通过遥控达到远程控制的目的,提供家居生活自动化、网络化与智能化。

(2)工业领域:通过ZigBee网络自动收集各种信息,并将信息回馈到系统进行数据处理与分析,以利工厂整体信息之掌握,例如火警的感测和通知,照明系统之感测,生产机器之流程控制等,都可由ZigBee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制的目的。韩国的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平台上成功研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及水表,从而为公用事业企业节省数百万美元,此项技术正在进行前期测试,很快将在美国市场上推出。

(3)智能交通:如果沿着街道、高速公路及其它地方分布式地装有大量ZigBee终端设备,就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉当前所处位置,正向何处去。

当然,全球定位系统(GPS)也能提供类似服务,但是这种新的分布式系统能够提供更精确更具体的信息。从ZigBee无线网络系统能够得到比GPS多很多的信息,如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。基于ZigBee技术的系统还可以开发出许多其它功能,例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

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