浅析ZigBee无线传输技术及其应用

摘　要：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是一种基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，是无线传感器网络实现的一种工具。本文将就ZigBee技术的简介和应用，以及ZigBee技术的发展方向这几个方面对于ZigBee技术进行探讨。

关键词：ZigBee技术； 家庭无线网络； 全功能设备；精简功能设备
1. 前言
　　蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee。ZigBee技术最初是由13家通信及传感器领域的知名厂商于2004年底共同发起制定的。同时成立了ZigBee联盟以避免标准混乱带来的内部争斗。
　简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。 ZigBee, 在中国被译为""紫蜂"",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术。
2. ZigBee技术
2.1 ZigBee技术综合简介
a. ZigBee的IEEE相关
　　ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点，因而要想弄清楚ZigBee，就要了解IEEE 802.15.4，它就是ZigBee物理层和MAC层的模板
　　IEEE802.15.4网络是指使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。在这个网络中，根据设备所具有的通信的能力，可以分为全功能设备，和精简功能设备。全功能设备之间以及全功能设备与精简功能设备之间都可以通信，与精简功能设备相关的全功能设备通常称之为协调器。IEEE802.15.4定义了两种拓扑结构，分别为星状拓扑（理论上一个协调器和多达255个子设备）和点对点模式。此协议定义了27个信道，868MHz频段一个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。其调制过程如图：


             
　　物理帧的第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符（SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧的长度。而且物理帧的负载长度是可变的，称之为物理服务数据单元（PSDU），一般用来承载MAC帧。
　而对于ZigBee技术来说，其相对于IEEE802.15.4增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，从而更加适合于产品技术的一致化，利于产品的互连互通。
　
b. 通信传输模块及工作原理：
　　ZigBee通信传输模块由ZigBee传输模块及其外围设备组成,ZigBee模块由Freescale公司产生的MC13192和MC9S08两个芯片所组成,其中MC13192为射频和基带控制芯片,MC9S08为微控制芯片。而ZigBee的外围设备由液晶显示器、键盘和MT8880组成,其中液晶显示器负责显示各种所需要的界面,键盘用来控制汇节点的操作,ZigBee汇节点通信范围内的所有传感器节点进行通信联络,当传感器节点有信息时,则MC13192接收传感器节点的报警信息,MC13192和MC9S08之间通过串行外围设备接口SPI(SerialPeripheralInterface)进行连接,然后通过MC9S08所连接的外围设备MT8880将DTMF信号传送至CPU进行信息的处理。

2.2 ZigBee的网络构建
首先我们通过图2了解一下ZigBee的网络结构图：

图表 2 ZigBee无线网状网络结构
  　在ZigBee网络有两种网络设备类型，即 全功能设备（FFD）和精简功能设（RFD）。全功能设备业就是网络中的路由或中继，其可以担任网络协调者，形成网络，让其它的全功能设备或是精简功能设备装置连结，同时全功能设备具备控制器的功能，可提供信息双向传输。而精简功能设备也就是网络中的终端结点，只能传输信息给全功能设备，或是从全功能设备接受信息。其只具有有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中也常常被用来作为终端设备图3即对这两种设备类型进行了比较：

设备类型 拓扑类型 可否成为协调器 通话对象 全功能设备（FFD） 星状，树状，网状 可以 任何ZigBee设备 简化功能设(RFD) 星形 不可以 只能与协调器沟通 图表 3 ZigBee网络设备类型
　　对于ZigBee网络来说，其常见的有两种拓扑结构,即星型拓扑和点对点拓扑,每个ZigBee网络至少需要一个全功能设备实现网络协调功能,终端设备可以是精简功能设备用来降低系统成本。
　　ZigBee采用自组织(ad-hoc)方式组网,该架构被称为无基础构架的无线局域网(AdHocirelessLAN),这种架构对网络内部的设备数量不加限制,并可随时建起无线通信链路。例如,协调器一直处于监听状态,当一个新添加的精简功能设备会被网络自动发现,这时全功能设备会把精简功能设备的信息传送给协调器,由协调器进行编址,并计算其路由信息,更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是FFD,则可直接把自身信息上报协调器,并对周围的精简功能设备进行轮询,记录它们的地址信息,通知协调器更新路由,此时新加入的全功能设备起到了一个桥梁的作用,精简功能设备通过全功能设备和协调器进行间接通讯。这种分层结构,便于管理,增加了网络的透明度,有利于发现并自动添加新入网设备。
　　在ZigBee网络中,所有设备均有一个64bit的IEEE地址,可以分配一个16bit的本地地址减小数据包的大小。地址模式有两种:星型拓扑:网络号+设备标识；点对点:直接使用源/目的地址。协调器将参与地址的分配和记录工作,在建立和启动网络过程中,设置惟一的网络标识符以及每个节点都包含一个唯一的64bitIEEEMAC地址。这样做是基于保护个人隐私考虑的,保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
　　为了避免ZigBee的接入竞争,ZigBee通过MAC层提供保证的时隙,但只作为一种可选的“超帧”(SuperFrame)的组成部分提供。但是,如果ZigBee节点试图避免传送的信号与其它节点或其它无线电源的信号相重叠,ZigBee节点会消耗额外的能量,它们必须在发送信号之前侦听空中是否还有其它信号在传送。
2.3 ZigBee技术的优势
　　如今，各种近距离无线传输技术层出不穷，Bluetooth(蓝牙)、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。通过使用ZigBee技术，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消费和家用自动化。
　　同时，ZigBee 无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势。此外ZigBee具有价格低廉，能耗低，通信效率高等特点，这使得其在是市场竞争中也具备了一定的优势。
3. ZigBee的应用
3.1  ZigBee在智能家庭无线网络系统中的应用
　　家庭无线网络是指在家庭范围内， 通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连，实现数据共享和管理，并以广域互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。
　　在这个网络系统中，网络节点是指镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元。而整个系统包括有具备多种通讯协议转换功能，同时可通过以太网或程控电话网连接内外网和通过无线技术连同内网的网关，具备无线通讯等接口的数字家电；配有无线接口、可远程报警的家用安防传感器设备；具备无线接口的家庭灯光控制器材；可进行防盗、报警等功能设备。
　　家庭无线网络具有灵活的网络拓扑结构、低成本和容易架设等有线网络所不具备的特点。已成为家庭数字化革命的重要组成部分，这决定了未来广阔的发展前景。它也面临着技术上的挑战，如怎样架设一个可靠的无线网络，创建一个将不同设备互连的统一界面，针对不同的客户搭建一个共同的开发平台等等。而通过ZigBee网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安（监控）装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实。
家庭无线网络平台的实现：
　　ZigBee是以IEEE802.15.4无线接收发射机标准为基础的，同时，也规定了无线通讯的网络技术、安全措施、应用接口以及应用技术。
　　在我国，目前由海尔、春兰等12家集团公司构成的“国家家庭息平台结构体系总体组”在信息产业部和原国家经贸委的支持和指导下，于2003年推出了基于互联网的《家庭网络系统技术规范》系列标准。本文所描述的平台就是基于国际ZigBee 标准规范和中国《家庭网络系统技术规范》系列标准而展开的。
　　尽管智能家庭的概念已经提出很多年了，但是由于相应的通信技术及应用方面的发展速度缓慢，智能家庭一直没有走向实用化。随着ZigBee技术的出现，使得智能家庭可能在未来的2到3年内走入人们的生活中。
　　通过ZigBee网络，我们可以远程控制家里的电器、门窗等。下班前可以在路上就打开家里的空调；下雨的时候可以远程关闭门窗；家中有非法入侵时可以及时得到通知；方便的采集水电煤气的使用量；通过一个ZigBee遥控器，控制所有的家电设备。
3.2 ZigBee的其他应用
　　在其他无线通信技术不断追求高速率远距离的今天，ZigBee却反其道而行之，向着低速率近距离的方向迈进，其目的就是为了大幅降低无线终端的成本及功耗。因为只有这样，才能实现其“无所不在”的目的。
　　ZigBee技术对传感器有着很好的支持，可以在单芯片内实现传感器数据的采集、处理、传输。以往，即使是为了采集传输门窗关闭状态这样的简单信号，最起码也需要一个8位单片机外加无线传输模块来搭建一个最小系统。而在今天，内藏CPU的ZigBee芯片可以使这些东西都集中在单个芯片内。不仅如此，像嵌入式操作系统、TCP/IP协议栈以及功能多样的应用程序，以及面向传感器领域的多通道AD/DA转换器、多种外围接口等等都可以集成在内。
　　低功耗是ZigBee技术最具优势的地方。在通信状态，ZigBee终端耗电在几十mW左右，在省电模式下，耗电仅仅几十uW,一节干电池可以工作几个月到1年。
　　基于以上优势，ZigBee不仅向终端消费者提供了价格低廉、操作简单的ZigBee产品，同时也为产品开发商提供了低开发成本、高开发效率的一站式解决方案。
　　ZigBee技术主要应用在短距离无线网络通信方面。不远的将来，在很多领域里都可以看到ZigBee的身影：　
a. 智能建筑
　　通过建立完备的ZigBee网络，智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患，及早提供相关信息；根据人员分布情况自动控制中央空调，实现能源的节约；及时掌握酒店客房内客人的出入信息，以便在突发事件时及时准确地发出通知。
　　在机场，持有ZigBee终端的乘客们可以随时得到导航信息，比如登机口的位置，航班的变动，甚至附近有什么商店等等。
b. 工业自动化领域
　　在工业自动化领域，人们可以通过ZigBee网络实现厂房内不同区域温湿度的监控；及时得到机器运转状况的信息；结合RF标签，可以方便的统计库存量.
c. 医疗领域
　　在医院，时间就是生命，ZigBee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。 ZigBee网络可以帮助医生及时准确地收集急诊病人的信息和检查结果，快速准确的作出诊断。戴有ZigBee终端的患者可以得到24小时的体温、脉搏监控；配有ZigBee终端的担架可以遥控电梯门的开关。
3.3 未来的发展方向
　　2004年底成立之初到2006年中，ZigBee联盟自已经自最初的13家公司发展到有全球150多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追捧之下，ZigBee技术呈现出蓬勃的发展态势。
未来的ZigBee，将向着以下几个方面发展：
a. 更廉价、更省电
　　根据最新的信息，一节电池工作3年的ZigBee产品已经面世。在日本的神户机场，所有ZigBee节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用的不断增加，更大的产量必然导致 更低廉的价格。
b. IPv6和ZigBee的结合
　　IPv6拥有巨大的地址空间，可以为每一个ZigBee节点分配一个全球唯一的网络地址，同时提供安全的通信保障和优良的QoS保证。IPv6和ZigBee的结合是一个必然趋势。走在国内通信领域前沿的科技型企业--上海爱吉信息技术有限公司，在IPv6协议栈开发和ZigBee嵌入式产品的研发上都取得了相当的成果。在最近的东京嵌入式产品展示会上，爱吉公司的ZigBee体温脉搏感知手表得到了与会者的极大肯定。
　　可以预见，在未来的几年之内，ZigBee产品将以各种各样的方式走向我们，成为我们工作生活中不可或缺的一部分。　
4. 结论
　　ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术
　　作为一种标准和基础技术，ZigBee已经受到了自动控制市场的关注，在家庭、楼宇自动化等应用中被寄予厚望。ZigBee关键是要找到切合市场需求的定位和应用模式，才能避免像蓝牙那样在相当一段时间里都处于叫好不叫座的尴尬境地。
　尽管目前ZigBee似乎还有些遥不可及，但是随着ZigBee技术的不断更新和普及，可以预见，在未来的几年之内，ZigBee产品将以各种各样的方式走向我们，成为我们工作生活中不可或缺的一部分。
参考文献：
.遥测遥控,2006,9:12-13