摘要：基于IEEE802.15.4標準的ZigBee技術具有低成本、近距離、低功耗的優(yōu)點，正符合未來一些無線互連設備的需要。本文首先介紹了Zigbee技術的概念、特點和協(xié)議模型，在此基礎上探討了ZigBee技術的應用并與其他幾種無線通信技術做了比較。

關鍵詞：ZigBee技術；IEEE802.15.4；無線通信

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044(2008)06-10000-00

Research on Wireless Communication Technology ZigBee

HU Ke， GUO Zhuang-hui， WANG Lei

(School of Electronic and Information Engineering， Tongji University， Shanghai 200092，China)

Abstract: That based on IEEE 802.15.4 standard ZigBee has low cost， short distance and low power consumption’s characters， which fit some wireless communication equipments’ needs. This paper introduces ZigBee technology’s concept， characteristics and protocol model， upon these basis discuss application of ZigBee technology and compare this technology with other several wireless communication technologies.

Key words: ZigBee technology; IEEE 802.15.4; Wireless communication

1 引言

ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適用于自動控制和遠程控制領域，可以滿足對小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制[1]。ZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通信技術的名稱[2]。Zigbee過去稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術。

2 ZigBee的技術特點

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點[3]：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，這是其它無線設備望塵莫及的。

（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

（3）時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應用。

（4）網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡組成靈活。

（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

3 ZigBee的協(xié)議模型

ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。在標準規(guī)范的制訂方面，主要是IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟兩個組織，兩者分別制訂硬件與軟件標準。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MAC（媒體接入層）與PHY（物理層）規(guī)范。ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱領。ZigBee協(xié)議棧的模型如圖1所示：

圖1 ZigBee協(xié)議棧模型圖

ZigBee的協(xié)議棧由高層應用規(guī)范、應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層組成[4]。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE負責物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準的制定。下面分別介紹應用層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層各部分的功能：

（1）、應用層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上，具體功能包括：1）安全與鑒權；2）多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚；3）設備發(fā)現(xiàn)；4）業(yè)務發(fā)現(xiàn)。

（2）網(wǎng)絡層功能如下：1）通用的網(wǎng)絡層功能，包括拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯(lián)業(yè)務，尋址、路由和安全；2）有自組織、自維護功能，最大程度減少消費者的開支和維護成本。

（3）IEEE802系列標準把數(shù)據(jù)鏈路層分成LLC和MAC兩個子層。其中LLC子層的主要功能包括：1）傳輸可靠性保障和控制；2）數(shù)據(jù)包的分段與重組；3）數(shù)據(jù)包的順序傳輸。MAC協(xié)議包括功能如下：1）設備間無線鏈路的建立、維護和結束；2）確認模式的幀傳送和接收；3）通道接入控制；4）幀校驗；5）預留時隙管理；6）廣播信息管理。

4 ZigBee的應用場合：

Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制（如自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警），消費類電子設備的遙控裝置、PC外設的無線連接等領域。

一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是ZigBee應用極具優(yōu)勢的地方[5]：

（1）需要無線通信交換信息的低成本裝置；

（2）數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>

（3）功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；

（4）需要多個（尤其是大量）設備組成無線通信網(wǎng)絡，主要進行監(jiān)測和控制的場合。

下面就ZigBee的可能應用的幾個領域舉例加以說明：

（1）工業(yè)領域：

通過ZigBee網(wǎng)絡自動收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如火警的感測和通知，照明系統(tǒng)之感測，生產(chǎn)機臺之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡提供相關信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。

（2）數(shù)字家庭領域：

ZigBee技術可以應用于家庭的照明、溫度控制等。ZigBee模塊可以安裝在燈泡、遙控器、玩具、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品中。例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關處，直接通過遙控器便可開燈。再如你家里的每一個成員都可以有一個私人的電子輪廓（可以是一個小小的符合ZigBee標準的器件），其他器件都可以通過檢測此輪廓而有所反應?，F(xiàn)在，假如附近沒有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級，那么家里的燈光、溫度、音樂和網(wǎng)站都將自動按照你的喜好自動設置。

（3）智能交通領域：

如果沿著街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量的ZigBee終端設備，你就不用擔心迷路。安裝在汽車里的器件將告訴你，你當前所處的位置。全球定位系統(tǒng)（GPS）也能提供類似服務，但是這種新的分布式系統(tǒng)能向你提供更精確更具體的信息。使用這種系統(tǒng)，也可以跟蹤公共交通情況，你可以適時地趕上下一班車，而不至于在車站等上數(shù)十分鐘?；赯igbee技術的系統(tǒng)還可以開發(fā)出許多其他功能，例如在不同街道根據(jù)交通流量動態(tài)調(diào)節(jié)紅綠燈，追蹤超速的汽車或被盜的汽車等。

（4）環(huán)境控制與醫(yī)療護理領域：

人類始終面臨著各種威脅生命的因素，如火災、水災和地震等，所以，人類也一直在構建挽救生命的系統(tǒng)。但目前已有的許多系統(tǒng)實際上不是非常有效的，有些太復雜、太昂貴，難以普及；有些因為電池迅速耗盡而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系統(tǒng)最為關鍵的聯(lián)網(wǎng)能力。由于具備連接簡單器件（如傳感器和激活器等）的能力，ZigBee無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)能監(jiān)視各種事件，當需要時自動采取相應的行動。作為一個為低速率、低成本和低功耗應用而設計的全球標準，ZigBee無線網(wǎng)絡通信系統(tǒng)很有希望應用于上述情況。

5 與其他幾種無線通信技術的比較：

目前，市場上的近距離無線通信技術主要有藍牙、無線局域網(wǎng)WiFi和一些專用標準（如Ad hoc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術標準，如超寬帶通信UWB和WiMax等。下面對這些技術作一些簡要介紹和比較[6]：

藍牙技術發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個年頭，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，且互通性方面也存在問題。

WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領市場；采用IEEE802.11b標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11Mbps，并可根據(jù)信號強弱把傳輸率調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬；采用最新的802.11g時，速率可達54Mbps，是目前應用最廣的無線網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。

UWB是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調(diào)制技術，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術陣營競爭技術標準，預期的通信距離5～10m，速率甚至可高達1Gbps，非常適合于家用消費電子產(chǎn)品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

作為WiFi下一代技術的WiMax，被設想成一項無線城域網(wǎng)接入技術，在傳輸距離和速度方面均勝過WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號傳輸半徑可達到50km。圖2是以上幾種無線通信技術的速率/距離比較。

從圖2中看出，主要的無線技術都集中在1Mbps以上的速率，新的標準還在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉。在實際應用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網(wǎng)絡、家居自動化等諸多領域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現(xiàn)今的市場看，每一種無線通信技術的產(chǎn)品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時間內(nèi)，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術的產(chǎn)品在市場上共存。

圖2 無線通信技術比較

6 結束語

本文闡述了ZigBee技術的概念、特點、協(xié)議模型以及相關應用，并與其他一些無線通信技術如藍牙、WiFi、UWB、WiMax做了對比。無線組網(wǎng)通信是當今工業(yè)控制、家庭自動化、計算機應用等方面技術發(fā)展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡要求令ZigBee應運而生。ZigBee技術可以通過結合其他無線技術，實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡。這也顯示出ZigBee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應用前景十分看好，值得廣大嵌入式應用的技術人員關注。相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，ZigBee技術一定會得到更大的應用。

7 致謝

本文研究得到了國家自然科學基金重點項目（70531020）資助，在此謹表謝意。

參考文獻：

[1]林山霖.ZigBee技術發(fā)展現(xiàn)狀.零組件雜志，2004(155).

[2]http://www.zigbee.org[EB/OL]

[3]雷震洲. 面向低速率應用的全球標準ZigBee.現(xiàn)代電信科技，2004(12).

[4]齊麗娜，干宗良.一種新的無線技術ZigBee[J].電信快報，2004，(9):12-14.

[5]原弈，蘇鴻根.基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡應用研究[J].計算機應用與軟件， 2004，21(6):89-91.

[6]趙景宏， 李英凡， 許純信.ZigBee技術簡介[J].電力通信系統(tǒng)，2006(165).

收稿日期：2008-01-12

基金項目：國家自然科學基金重點項目（70531020）

作者簡介：胡柯（1983-），男，浙江奉化市人，碩士研究生，研究方向為智能自動化；郭壯輝（1982-）碩士研究生，研究方向為智能自動化。汪鐳（1970-），男，江蘇無錫市人，教授，博士生導師，從事智能自動化理論與應用研究等。