基于ZigBee的无线网络技术及其应用

作者：北京交通大学 顾瑞红 张宏科

欢迎访问e展厅 展厅 5 网络/安全/存储产品展厅 无线上网卡, 光纤设备, 网络布线产品, 计算机干扰器, 网关, ... 摘　要：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，本文详细分析了ZigBee技术，IEEE802.15.4标准及相关应用，讨论了它们的关系和相对其它技术的特点，并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。本文还针对无线网络与NGN(IPV6)的结合做了分析。 关键词：IEEE802.15.4 ZigBee 短距离无线网络 IPV6 长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。 ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 1 IEEE 802.15.4和ZigBee介绍 IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。 1.1 802.15.4协议架构及其技术特点 IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示) 。 ZigBee Profiles 网络应用层 数据链路层 IEEE802.15.4 LLC 802.2LLC IEEE802.15.4 MAC 868/915 PHY 2400 PHY 图1 IEEE802.15.4协议架构 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，同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。表1列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能。 表1 IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能 　LLC子层的主要功能： 　IEEE802.15.4的MAC协议主要功能： 　传输可靠性保障和控制 　设备间无线链路的建立、维护和结束 　数据包的分段与重组 　确认模式的帧传送与接收 　数据包的顺序传输 　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。它们都基于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250kbps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。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。表2中概括了802.15.4的一些特点。 表2 IEEE802.15.4标准的主要技术特征 　复杂程度 　比现有标准低 　通信时延 　≥15ms 　目的 　只支持数据通信 　功耗 　约45μs 　频段，数据率 　868MHz：20kbps 1 　MAC的控制方式 　 　及信数 　925MHz：40kbps 10 　2.4GHz：250kbps 16 　星型网络，对等网络 　 　每个网络 　支持节数 　65536 　寻址方式 　64bit IEEE地址， 　8bit网络地址 　连接层结构 　开放式 　温度 　-40℃～85℃ 　传输范围 　室内：10m速率 　250kbps；+0dBmTX 　室外：30m～75m速率 　 40kbps； 　 300m速率，20kbps 　应用 　传感器，玩具， 　控制领域… 1.2 ZigBee技术概述 ZigBee是一组基于IEEE批准通过的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标准。它不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以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。 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，IEEE802.15.4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： (1) 安全与鉴权； (2) 多个业务数据流的会聚； (3) 设备发现； (4) 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： (1) 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； (2) 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电； (3) 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。 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： (1) 8位处理器，如80c51； (2) 协议套件软件需要32kbytes的ROM； (3) 最小协议套件软件大约4kbytes的ROM； (4) 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。 1.3 整个协议构架 在标准制定的分工上，由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组共同制定，其中实体层、MAC层、资料链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，并共同针对ZigBee Protocol Stack的发展进行研讨，而未来还能依系统客户的需求，为不同应用修正其所需之应用界面。ZigBee从802.15.4标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要。 1.4 IPV6 Over 802.15.4 ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术，到2007年将达到30亿节点。具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间，但是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。IPv6采用128位地址长度，几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。IPv6在设计过程中，除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外，还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题，如端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。因此，将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向，目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft，其标准也不久将出台。 2 ZigBee技术的优势及应用 2.1 ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较 IEEE 802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的： (1) 数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。 (2) 功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用六个月到两年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。 (3) 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。 (4) 网络容量大：每个ZigBee网络最多可支持255个设备。 (5) 时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。 (6) 安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。 (7) 有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 (8) 工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。 与之相反，蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品，经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不用说几年了； 一般情况下，蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接；它可以用来有效地处理8个设备(一个主设备和7个从设备)，如果更多的话，通讯速率则显著下降。 而802.11， 也被称作Wi-Fi也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案，但它的功耗却非常高。 2.2 可能应用及市场发展 ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBee技术： (1) 设备成本很低，传输的数据量很小； (2) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； (3) 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池； (4) 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难； (5) 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。 根据ZigBee Alliance的观点，一般家庭可将ZigBee应用于以下装置： (1) 空调系统的温度控制器， 灯光、窗帘的自动控制； (2) 老年人与行动不便者的紧急呼叫器； (3) 电视与音响的万用遥控器， 无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具； (4) 烟雾侦测器； (5) 智慧型标签。 本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4标准及其相关应用，讨论了它们的关系和相对其它技术的优点，并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。 参考文献 1 IEEE Standard for Information Technology-Telecommunica-tions and information exchange between systems-Local and metropolitan area networks-Specific Requirements-Part15.4：Wireless Medium Acess Control(MAC)and Physical Layer (PHY)Specifications for Low0Rate Wieless Personal Area Net-works(LR-WPANS) 2 韩旭东， 张春业， 李 鹏. 传感器无线互联标准及实现.电子技术应用，2004；11 3 中国ZigBee联盟. ZigBee技术探析， 2004；8(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/25/2005)