探析ZigBee无线通信技术

1.ZigBee无线通信的工作原理

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[195]。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

人们通过长期观察发现，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相关信息，这种肢体语言就是ZigZag舞蹈，它是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式[196]。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来向同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络，于是人们借用ZigBee作为新一代无线通信技术的名称。

简单而言，ZigBee是一种高可靠性的无线数传网络，类似于CDMA（码分多址）和GSM（全球移动通信系统）网络[197]。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，是一个由可多到65 535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台。在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间都可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展[198]。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据相关国际标准的规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术[199]。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适用于自动控制和远程控制领域，也可以嵌入各种设备。简言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通信技术。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因而它必须具有体系简单、使用方便、工作可靠、价格低廉的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立的，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”花费却不到1000元人民币[200]。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）进行无线连接。

2.ZigBee无线通信的使用方式及技术特点

机器人通信可以采用ZigBee的星形结构。在该结构的网络中，充当网络协调器的机器人负责组建网络、管理网络，并对网络的安全负责[201]。它要存储网络内所有节点的设备信息，包括数据包转发表、设备关联表以及与安全有关的密钥等。其他普通机器人使用的ZigBee节点都是RFD设备。当这类机器人受到某些触发时，例如内部定时器所定时间到了、外部传感器采集完数据、收到协调器要求答复的命令，就会向协调器传送数据。作为网络协调器的机器人可以采用有线方式和一台PC相连，在PC上存储网络所需的绑定表、路由表和设备信息，减小网络协调器的负担，提高网络的运行效率。

与其他无线通信方式相比，ZigBee除复杂性低、对资源要求少以外，主要特点如下：

（1）功耗低。

ZigBee的数据传输速率低，传输数据量小，其发射功率仅为1 mW，且支持休眠模式[202]。因此，ZigBee设备的节能效果非常明显。据估算，在休眠模式下，仅靠两节5号电池就可以维持一个ZigBee节点设备长达6个月到2年的使用时间。而在同样的情况下，其他设备如蓝牙仅能维持几周，比较而言，ZigBee设备的功耗极低。

（2）成本低。

在智能家居系统中，成本控制始终是一个重要的选项。ZigBee协议栈十分简单，并且ZigBee协议是免收专利费的，这就大大降低了其芯片的成本。Zig-Bee模块的初始成本在6美元左右，现在价格已经降低到几美分。低成本是ZigBee技术能够应用于智能家居系统中的一个关键因素。

（3）时延短。

ZigBee设备模块的通信时延非常短，从休眠状态激活的响应时间非常快，典型的网络设备加入和退出网络时延只需30 ms，休眠激活的时延仅需15 ms，在非信标模式下，活动设备信道接入的时延为15ms。因此，ZigBee非常适用于对时延要求苛刻的智能家居系统（例如安防报警子系统）。

（4）容量大。

ZigBee可组建成星形、片形及网状的网络结构，在组建的网络中，存在一个主节点和若干个子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可被上一层网络节点管理，这样就能组成一个多达65 000个节点的大网络，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，并且组建网络非常灵活。

（5）可靠性高。(www.xing528.com)

ZigBee采用多种机制为整体系统的数据传输提供可靠保证，在物理层采用抗干扰的扩频技术；在MAC层采用了碰撞避免机制，这种机制要求数据在完全确认的情况下传输，当有数据需要传输时则立即传输，但每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，并采取了信道切换功能等，同时预留了专用时隙，以满足某些固定带宽的通信业务的需要，这样就能减少数据在发送时因竞争和冲突造成的丢包情况。

（6）安全性好。

ZigBee提供了三级安全模式，分别为无安全设定级别、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据级别以及采用最高级加密标准（AES128）的对称密码，并提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，且支持鉴权和认证，各个应用可以对其安全属性进行灵活确定。这样就能为数据传输提供较强的安全保障。

（7）工作频段灵活。

ZigBee使用的频段分别为2.4 GHz、868 MHz（欧洲），以及915 MHz（美国），均为免执照的频段。

（8）自主能力强。

ZigBee的网络节点能够自动寻找其他节点构成网络，并且当网络中发生节点增加、删除、变动、故障等情况时，网络能够进行自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，保证整个系统正常工作。

3.ZigBee无线通信的信息处理

ZigBee协议栈是一个多层体系结构，由4个子层组成。每一层都有两个数据实体，分别为其相邻的上层提供特定的服务，数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供全部其他的服务，每个服务实体都有一个服务接入点（SAP），每个SAP都通过一系列的服务指令来为其上层提供服务接口，并完成相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构如图5-53所示，是基于标准的（OSI）参考模型建立的，分别由IEEE802协会小组和ZigBee技术联盟两家共同制定完成。其中IEEE802.15.4—2003标准中对最下面的物理层（PHY）和介质访问层（MAC）进行了定义。ZigBee技术联盟提供了网络层（NWK）和应用层（APL）框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和由制造商制定的应用对象。

图5-53　ZigBee协议栈体系结构图

在图5-53所示网络体系结构中，物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，工作频率可以是868 MHz、915 MHz或者2.4 GHz，它直接利用无线信道实现数据传输。介质访问层提供节点自身和其相邻的节点之间可靠的数据传输链路。其主要任务是实现传输数据的共享，并且提高节点通信的有效性。网络层在MAC层的基础上实现网络节点之间的可靠的数据传输，提供路由寻址、多跳转发等功能，并组建和维护星形、片形以及网状网络。对于那些没有路由功能的终端节点来说，仅仅具备简单的加入或者退出网络的功能而已。路由器的任务是发现邻近节点、构造路由表以及完成信息的转发。协调器具备组建网络、启动网络，以及为新申请加入的网络节点分配网络地址等功能。应用支持子层通过维护一个绑定表来实现将网络信息转发到运行在节点上的不同的应用终端节点，并在这些终端节点设备之间传输信息等。绑定表将设备能够提供的服务和需要的服务匹配起来。应用对象是运行在端点的应用软件，它具体实现节点的应用功能。ZigBee体系结构在协议栈的MAC层、网络层和应用层之中提供密钥的建立、交换以及利用密钥对信息进行加密、解密处理等服务。各层在发送帧时按指定的加密方案进行加密处理，在接收时进行相应的解密。

目前，ZigBee 技术已在许多领域获得了广泛应用，图5-54和图5-55所示为ZigBee的应用实例。

图5-54　基于ZigBee技术的LED路灯智能照明控制系统研究

图5-55　基于ZigBee技术的智能能源管理系统