基于ZigBee的應(yīng)用

1、基于IEEE802.15.4規(guī)范的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)【導(dǎo)讀】IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無(wú)線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。 一、 引言 長(zhǎng)期以來(lái)，低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無(wú)線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價(jià)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的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種

2、經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無(wú)線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)狀網(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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)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(wú)線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)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(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。 這么多年來(lái)，無(wú)線技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出很多不同的分支，應(yīng)用于很多不同的領(lǐng)域。原本很多技術(shù)都只用于

3、消費(fèi)電子通信，比如，CDMA/GPRS，WI-FI，Bluetooth等，然而現(xiàn)在，隨著工業(yè)控制的需要，其中的某些無(wú)線技術(shù)也根據(jù)需要應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域中。就好像下面將要介紹的ZigBee和GPRS技術(shù)一樣。通過(guò)運(yùn)用這些技術(shù)可以解決傳統(tǒng)控制由于沒(méi)有通訊功能，無(wú)法實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控的問(wèn)題，將運(yùn)行維護(hù)人員從大量繁瑣的工作中解放出來(lái)，大大減少了系統(tǒng)停用帶來(lái)的不良影響。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)將是最低功耗和成本的技術(shù)。同時(shí)由于ZigBee技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小

4、的業(yè)務(wù)。所以ZigBee聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等。 二、IEEE 802.15.4和ZigBee介紹 IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10米左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫(kù)存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。 2.1 802.15.4協(xié)議架構(gòu)及其技術(shù)特點(diǎn) IEEE802.15.4滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI)參考模式。它定義了單一的MAC層和多樣的物理層，

5、表1中概括了802.15.4的一些特點(diǎn)： IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層）協(xié)議承載IEEE802.2類型一的LLC標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他LLC標(biāo)準(zhǔn)直接使用IEEE802.15.4 的MAC層服務(wù)。IEEE802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。它們都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻），使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸

6、速率。2.4GHz波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2.4GHz的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國(guó)的ISM頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小,因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離,從而可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域。 表2中概括了802.15.4

7、的一些特點(diǎn)： 2.2 ZigBee技術(shù)概述 ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。 完

8、整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括： （1）安全與鑒權(quán)； （2）多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚； （3）設(shè)備發(fā)現(xiàn)； （4）業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于adhoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能： （1）通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含了尋址、路由和安全； （2）同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電； （3）有自組織、自維護(hù)功能，以最大程度減少消費(fèi)者的開(kāi)支和維

9、護(hù)成本。 相對(duì)于常見(jiàn)的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，其具體實(shí)現(xiàn)的要求很低，以下是Zigbee協(xié)議套件的需求估計(jì)： （1）8位處理器，如80c51； （2）協(xié)議套件軟件需要32kbytes的ROM； （3）最小協(xié)議套件軟件大約4kbytes的ROM； （4）網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)需要更多的RAM，以容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲(chǔ)等。 2.3 整個(gè)協(xié)議構(gòu)架 在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定，其中實(shí)體層、MAC層、資料鏈結(jié)層，以及傳輸過(guò)程中的資料加密機(jī)制等發(fā)展由IEEE所主導(dǎo)，并共同針

10、對(duì)ZigBee Protocol Stack的發(fā)展進(jìn)行研討，而未來(lái)還能依系統(tǒng)客戶的需求，為不同應(yīng)用修正其所需之應(yīng)用介面： 2.4 IPV6Over 802.15.4 ZigBee聯(lián)盟希望建立一種可連接每個(gè)電子設(shè)備的無(wú)線網(wǎng)。它預(yù)言ZigBee將很快成為全球高端的無(wú)線技術(shù)，到2007年將達(dá)到30億節(jié)點(diǎn)。具有幾十億個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)將很快耗盡已壓縮的IPv4的地址空間，但是ZigBee的路由選擇不依賴于IPv6。IPv6采用128位地址長(zhǎng)度，幾乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算，IPv6實(shí)際可為整個(gè)地球的每平方米面積分配1000多個(gè)地址。IPv6在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了一勞永逸地解決了地址短缺問(wèn)題以外，還

11、考慮了在IPv4中解決不好的其他問(wèn)題，如端到端IP連接、服務(wù)質(zhì)量（QoS）、安全性、多播、移動(dòng)性、即插即用等。因此，將IPV6和802.15.4的結(jié)合將是以后研究發(fā)展的方向,目前IETF也在積極的制定V6over15.4的Draft，其標(biāo)準(zhǔn)也不久將出臺(tái)。 2.5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 1). 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最 大、計(jì)算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。 2). 全功能設(shè)備(FFD)：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是精簡(jiǎn)功能 裝置（R

12、FD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 3). 精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星形，網(wǎng)狀形和蔟狀形等，一般應(yīng)用較廣泛的是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖2所示MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能： l 網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信 l 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò) l 網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能 二、 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用 3.1 ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)及其與藍(lán)牙和Wi-Fi的比較： IEEE 802.15.4和ZigBee從一開(kāi)始就被設(shè)計(jì)用來(lái)構(gòu)建包括恒溫裝置，安全裝置和煤氣讀數(shù)表等設(shè)備的無(wú)線

13、網(wǎng)絡(luò)。這是由其主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)決定的： 1數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。 2功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。 3成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。且免收專利費(fèi)。 4網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持255個(gè)設(shè)備。 5時(shí)延短：通常時(shí)延都在15毫秒至30毫秒之間。 6安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。 7有效范圍?。河行Ц采w范圍1075米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射

14、功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。 8工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz(歐洲)及915MHz(美國(guó))，均為免執(zhí)照頻段。 與之相反，藍(lán)牙技術(shù)基本上只是設(shè)計(jì)作為有線的替代品，經(jīng)常是為手機(jī)和附近的耳機(jī)或PDA聯(lián)網(wǎng)用的。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無(wú)法工作幾個(gè)月，更不用說(shuō)幾年了； 一般情況下，藍(lán)牙設(shè)備需要人手配置和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接；它可以用來(lái)有效地處理8個(gè)設(shè)備（一個(gè)主設(shè)備和7個(gè)從設(shè)備），如果更多的話，通訊速率則顯著下降。 而802.11, 也被稱作Wi-Fi也有類似的問(wèn)題。雖然它是將筆記本和桌面電腦接入有線網(wǎng)絡(luò)的很好的解決方案，但它的功耗卻非

15、常高。 3.2 ZigBee結(jié)合GPRS技術(shù)在工業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用案例 3.2.1 GPRS介紹 GPRS的英文全稱為General Packet Radio Service，中文含義為通用分組無(wú)線服務(wù)，它是利用“包交換”（Packet-Switched）的概念所發(fā)展出的一套無(wú)線傳輸方式。所謂的包交換就是將Data封裝成許多獨(dú)立的封包，再將這些封包一個(gè)一個(gè)傳送出去，形式上有點(diǎn)類似寄包裹，采用包交換的好處是只有在有資料需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)馁Y料量計(jì)價(jià)，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是比較合理的計(jì)費(fèi)方式，因?yàn)橄驣nternet這類的數(shù)據(jù)傳輸大多數(shù)的時(shí)間頻寬是間置的。 GPRS是一種新的GSM數(shù)據(jù)業(yè)

16、務(wù)，它在移動(dòng)用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP和X.25分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源。如果把空中接口上的TDMA幀中的8個(gè)時(shí)隙都用來(lái)傳送數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)164kbs。GSM空中接口的信道資源既可以被話音占用，也可以被GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)占用。當(dāng)然在信道充足的條件下，可以把一些信道定義為GPRS專用信道。 3.2.2 GPRS優(yōu)點(diǎn) 1)、瞬間上網(wǎng) GPRS的用戶一開(kāi)機(jī)，就始終附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，每次使用時(shí)只需一個(gè)激活的過(guò)程，一般只需要2-3秒的時(shí)間馬上就能登錄至互聯(lián)網(wǎng)，而固定撥號(hào)方式接入互聯(lián)網(wǎng)需要撥號(hào)、驗(yàn)證用戶

17、名密碼、登錄服務(wù)器等過(guò)程，至少需要10-15秒甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。 2)、永遠(yuǎn)在線 GPRS由于使用了“分組”的技術(shù)，用戶上網(wǎng)可以免受斷線的痛苦，因?yàn)镚PRS是“永遠(yuǎn)在線”，就是只要用戶的GPRS模塊處于開(kāi)機(jī)狀態(tài)，就隨時(shí)與移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系。 3)、快速傳輸 GPRS采用分組交換的技術(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率達(dá)到了56Kbps-114Kbps，但實(shí)際速度受到編碼的限制和終端的限制可能會(huì)有所不同。只有同時(shí)啟用8個(gè)信道進(jìn)行GPRS傳送時(shí)，用戶使用GPRS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的速率才能達(dá)到114Kbps，而一般情況下傳輸速率為56Kbps左右。 4)、按量計(jì)費(fèi) GPRS技術(shù)是一種面向非連接的技術(shù)，用戶只

18、有在真正收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)才需要保持與網(wǎng)絡(luò)的連接，因此大大提高了無(wú)線資源的利用率。同時(shí)向“alwaysonline”的終端上網(wǎng)目標(biāo)邁進(jìn)了一步，使用了GPRS后，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分組發(fā)送和接受，這同時(shí)意味著用戶總是在線且按流量計(jì)費(fèi)，迅速降低了服務(wù)成本。 2.3 Zigbee和GPRS結(jié)合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線監(jiān)測(cè) ZigBee技術(shù)是新興的無(wú)線技術(shù)，它其中一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制與監(jiān)測(cè)。雖然，運(yùn)用擴(kuò)頻技術(shù)可是使ZigBee的傳輸距離延伸到1000米，可是對(duì)于想要達(dá)到遠(yuǎn)距離監(jiān)控的要求還是滿足不了，因此，GPRS的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了。 運(yùn)用GPRS技術(shù)，可以使技術(shù)人員坐在遠(yuǎn)距離的辦公室中也可以隨時(shí)隨地監(jiān)視設(shè)備的運(yùn)行情況。

19、圖4為ZigBee結(jié)合GPRS技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用方案。 ZigBee模塊分為終端節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)； 各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)透明傳輸至中心節(jié)點(diǎn)； 各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以組成任意的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖中是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)； 中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與控制中心連接，將數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)庫(kù)； 若經(jīng)過(guò)專家診斷系統(tǒng)診斷后發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，則向技術(shù)人員發(fā)出警報(bào)，技術(shù)人員可以根據(jù)警報(bào)采取及時(shí)的措施，降低損失。3. ZigBee的應(yīng)用領(lǐng)域與市場(chǎng)發(fā)展 3.3可能應(yīng)用及市場(chǎng)發(fā)展： ZigBee的出發(fā)點(diǎn)是希望能發(fā)展一種易布建的低成本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)其低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個(gè)月到數(shù)年的時(shí)間。在產(chǎn)品發(fā)展的初期，將以工業(yè)或企業(yè)市場(chǎng)的感應(yīng)式網(wǎng)路為主，提供感應(yīng)辨識(shí)、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場(chǎng)拓展至家庭中的應(yīng)用。通常符合以下條件之一的應(yīng)用，就可以考慮采用ZigBee技術(shù)： 1設(shè)備成本很低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很?。?2設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊； 3沒(méi)有充足的電力支持，只能使用一次性電池； 4頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無(wú)法做到或者很困難； 5需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制。 根據(jù)ZigBee Alliance的觀點(diǎn)，一般家庭可將ZigBee應(yīng)用于以下裝置： 1空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制器, 燈光、窗簾的自動(dòng)控制； 2老年