ZigBee

　　Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

1、概述

　　ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Router)、傳感器節(jié)點(diǎn)(EndDevice)等三種角色。

　　與此同時，中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為：Zigbee作為一種短距離無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性。

2、起源

　　ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍(lán)牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。

　　2001年8月，ZigBee Alliance成立。

　　2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個版本。由于推出倉促，存在一些錯誤。

　　2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。

　　2007年底，ZigBee PRO推出。

　　2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強(qiáng)的靈活性和遠(yuǎn)程控制能力。

　　2009年開始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)作為新一代智能電網(wǎng)Smart Energy(SEP 2.0)的標(biāo)準(zhǔn)，致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡(luò)通信。隨著美國及全球智能電網(wǎng)的建設(shè)，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)所取代。

　　ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義。

　　在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等。而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。

　　長期以來，低價位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。藍(lán)牙的出現(xiàn)，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，

　　但是藍(lán)牙的售價一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介質(zhì)訪問層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術(shù)，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，所以它們的通信效率非常高。

　　互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織IETF也看到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（或者物聯(lián)網(wǎng)）的廣泛應(yīng)用前景，也加入到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定中。以前許多標(biāo)準(zhǔn)化組織和研究者認(rèn)為IP技術(shù)過于復(fù)雜，不適合低功耗、資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此都是采用非IP技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，如zigbee需要接入互聯(lián)網(wǎng)時需要復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，也不能實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。與此同時，與zigbee類似的標(biāo)準(zhǔn)還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利于產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。IETF和許多研究者發(fā)現(xiàn)了存在的這些問題，尤其是Cisco的工程師基于開源的uIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了輕量級的IPv6協(xié)議，證明了IPv6不僅可以運(yùn)行在低功耗資源受限的設(shè)備上，而且，比zigbee更加簡單，徹底改變了大家的偏見，之后基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。 IETF已經(jīng)完成了核心的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括IPv6數(shù)據(jù)報文和幀頭壓縮規(guī)范 6Lowpan、 面向低功耗、低速率、鏈路動態(tài)變化的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 RPL、以及面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)CoAP[4]，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已經(jīng)發(fā)布。IETF組織成立了IPSO聯(lián)盟，推動該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，并發(fā)布了一些列白皮書。 IPv6/6Lowpan已經(jīng)成為許多其它標(biāo)準(zhǔn)的核心，包括智能電網(wǎng)Zigbee SEP2.0、工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優(yōu)勢： 可以運(yùn)行在多種介質(zhì)上，如低功耗無線、電力線載波、WiFi和以太網(wǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一通信；IPv6可以實(shí)現(xiàn)端到端的通信，無需網(wǎng)關(guān)，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由協(xié)議，路由器可以休眠，也可以采用電池供電，應(yīng)用范圍廣，而zigbee技術(shù)路由器不能休眠，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到大量開源軟件實(shí)現(xiàn)，最著名的是Contiki、TinyOS系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完整的協(xié)議棧，全部開源，完全免費(fèi)，已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到應(yīng)用。IPv6/6Lowpan協(xié)議將隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，很可能成為該領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

3、特性

　?、俚凸?。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，

　　藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

　　TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的ZigBee提供電源。

　?、诘统杀?。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價格大約為2美元。

　?、鄣退俾?。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

　?、芙嚯x。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

　　⑤短時延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。

　?、薷呷萘俊igBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

　?、吒甙踩igBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　?、嗝鈭?zhí)照頻段。使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) , 。

　　由于此三個頻帶物理層并不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個, 10個和16個信道。

　　這三個頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴(kuò)頻都使用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)，但從比特到碼片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。

　　在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米(TI CC2530不加功率放大)。

　　所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù)。

　　無線數(shù)據(jù)傳輸

　　簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。

　　ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

　　與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點(diǎn)。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。