ZigBee技术引领无线数字新生活

    只需一台电脑，一切尽在掌控之中。你可以一边从个人PC中调控欣赏在平面电视上播放的影片，一边控制烤箱的温度，等待享受美味的下午茶，同时密切地监控与了解一切需要关注的信息：工作室里机器的运行，实验室里研究的进度，家中饮用水的成分和空气中或许可能出现有毒物质的示警，酒窖里不同位置的温度与湿度，私家公路的灯光调控，各类仪表的数据变更……这一切，皆无需线缆。无线传感Zigbee将工作与生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控的距离。
    如今，各种近距离无线传输技术层出不穷， 蓝牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi—Fi、WiMAX、无线USB、UWB等等，竞争激烈，各有千秋。但随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本的增加，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术的低功耗、低成本、容量大、安全性高等诸多优势使其在激烈的竞争中逐渐脱颖而出。
    ZigBee与其他无线技术对比
    ZigBee究竟是什么样的无线技术？让我们近距离接触它：
    ZigBee简介
    1999年，蓝牙技术开始走向应用，但因芯片价格高，厂商支持力度不够，传输距离限制以及抗干扰能力差等问题而发展缓慢。低功耗、低成本的无线网络需求使ZigBee应运而生。ZigBee一词来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过条ZigZag形状的舞蹈来传递新发现和食物源的位置、距离与方向等信息。
    ZigBee发展
    2000年的12月，IEEE（美国电子和电气工程师协会）成立了IEEE 802.15.4工作组，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速率无线连接技术。
    2001年8月，美国HONEYWELL等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认为IEEE 802.15.4标准。
    2002年，摩托罗拉，飞利浦和三菱等企业加盟ZigBee联盟，06年中国的华为公司也加入了该联盟，现联盟内有180多个成员企业，包括软件供应商、系统集成商和终端产品商。
    2003年，IEEE 802.15.4标准获得通过，并在2004年12月推出了ZigBee技术规范1.0版本。
    ZigBee技术
    Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。
    不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币;每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料; 除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
    每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。
    ZigBee技术主要应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器），间歇性数据（如照明控制）和重复低反应时间数据（如鼠标）。
    ZigBee技术的主要特点
    1.低速率  
    数据传输速率只有20—250kb/s，分别提供250kb/s (2.4GHz)，40kb/s (915MHz)和20kb/s (868MHZ) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
    2.低功耗
    在低耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6—24个月，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
    3.低成本
    因为ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZIGBEE协议免收专利费。ZIGBEE网络节点模块一般在1000元以下，而主要使用的网络子节点的价格可降到100元以下。
    4.网络容量大
    ZIGBEE网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理254个子节点。同时该节点还可由上一层网络节点管理。可组成65536个节点的大型网络。
    5.时延短
    ZIGBEE的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms，进一步节约了能源。相对而言，Bluetooth需要3—10s，
Wi—Fi需要3s.
    6.安全性高
    ZIGBEE提供了三级安全模式，包括无安全设定，使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（ASE-128）的对称密码，以灵活确定其安全性。
    Zigbee协议套件
    完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准。
    应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体而言包括：
● 安全与鉴权；
● 多个业务数据流的会聚；
● 设备发现；
● 业务发现。
    网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议，应包含以下功能：
● 通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；
● 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电；
● 有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
    IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC（Media Access Control，媒介接入控制）两个子层。LLC子层在IEEE802.6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。
    IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层的服务。
    LLC子层的主要功能包括：
● 传输可靠性保障和控制；
● 数据包的分段与重组；
● 数据包的顺序传输。
    IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：
● 设备间无线链路的建立、维护和结束；
● 确认模式的帧传送与接收；
● 信道接入控制；
● 帧校验；
● 预留时隙管理；
● 广播信息管理。
    IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS （Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 [Page]
    相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计：
● 8位处理器，如80c51；
● 全协议套件软件需要32kbytes的ROM；
● 最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；
● 网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
    ZigBee的应用
    ZigBee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点，使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。
    在家电控制领域，ZigBee的目标是使家电实现自动化，ZigBee技术相对现在的红外遥控技术要先进很多，使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作，ZigBee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来，用户只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器，而且遥控模块可嵌套在诸如手机和PDA之类的便携电子器件中，用户只需在手机上设定相应的操作，家电就会按照规定自动完成这些指令，同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。另外ZigBee技术还有一些高端应用，比如当房主在超市购物时，可以发一条指令，以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量，确定是否需要再购买。ZigBee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利，从而在真正意义上实现了我们常说的智能家居。
    在生产领域和其他领域，ZigBee技术都有着有广阔的应用前景。在运动休闲领域，一条使用了ZigBee技术的高尔夫球道能够预测降雨，进而调节自动洒水系统，推迟既定日程中的喷洒时间或者使喷洒范围集中在降雨量较少的球道。在酒店服务行业，一家应用了ZigBee技术的酒店可以自动感知房间是否是空的，于是关闭该房间的取暖或制冷系统以便节能。在食品零售业中，安置在一板巧克力上的ZigBee标签不仅仅只是提供巧克力是否到达目的地的信息，它还能告诉生产商，是否因为放在阳光下运输使得它周围的温度上升，获取到信息的厂商就可以通知运输部门在巧克力融化之前把它们移到合适的位置。 在矿井生产中，安装了Zigbee 收发模块的工作服可以告诉控制中心矿工的准确位置，同样的系统也可以应用在小区车辆管理中。
    以上的这些还只是ZigBee技术应用的一小部分。Zigbee技术的目标就是实现工业、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等等领域的无线自动化。
    可以预见，在不远的将来，会有越来越多的内置ZigBee功能的设备进入我们的视野，它们将极大地改善人们的生活。
    ZigBee未来的发展
    美国Ember公司是全球主要的ZigBee芯片供应商，现已推出第一款全集成的ZigBee芯片，它大大降低了ZigBee设备的成本，目前ZigBee芯片的价格已降至2美元以下。飞思卡尔公司也已经推出了一站式ZigBee—Ready平台，包括射频收发器，MCU、传感器、MAC配件、Z—StackZigBee软件以及灵活的开发工具套间，从而使开发ZigBee产品变的简单。
    年初的美国CES电子展上，ZigBee联盟宣布，将开始为ZigBee产品提供“ZigBee认证”标签，以保证产品完全互用，并易于用于ZigBee网络。ZigBee联盟表示，该认证流程将使会员公司可以测试消费市场中出现的ZigBee产品，这样一来，这些产品能够贴上“经过ZigBee认证(ZigBee Certified)”标签，面向家庭、工业或商用市场。
    ZigBee联盟主席BobHeile谈到：“一系列严格的认证要求对确保ZigBee产品具有端到端的互操作性而言，非常重要。如果我们可以确保ZigBee产品之间可以轻易地完全相容，就可以开发数不清的潜在ZigBee应用。”
    ZigBee技术在2004年12推出了1.0版本后，2005年5月各家平台供应商的产品陆续得到验证，而系统的开发时间一般是6到9个月，所以2006年一季度，市场上就陆续出现了各种基于ZigBee技术的产品。
    三星公司在年初的一次技术报告中指出，ZigBee芯片的市场规模目前还非常小，仅有期待的1/10左右。我们有理由相信，未来的几年应该是ZigBee蓬勃发展的几年，ZigBee技术将会引领我们进入到一个全新的无线数字化世界。
    文/ZigBee联盟