基于ZigBee的无线网络技术及其应用

摘　要：ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,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。