種新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)Zigbee
一種新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)Zigbee
南京總參第六十三研究所 瞿雷
引言
對于嵌入式系統應用，往往需要相互間的通信，以交換測量數據和控制指令。目前采用的方式多是有線(xiàn)連接，包括點(diǎn)對點(diǎn)或總線(xiàn)方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線(xiàn)連接的場(chǎng)合，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)便有了它的用武之地。
目前，市場(chǎng)上已有多家公司推出應用于近距離通信的RF芯片產(chǎn)品，如工作在2.4GHz的nRF24E1（Nordic）、CC1020/2500（Chipcon），工作在300～450MHz的MAX7044/7033（Maxim）等。不少嵌入式應用也采用了這類(lèi)技術(shù)，但它們大部分只提供解決無(wú)線(xiàn)通信的射頻通道，沒(méi)有標準規范（或采用自己的專(zhuān)用標準）來(lái)制定MAC層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴(lài)目標系統設計，由用戶(hù)自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網(wǎng)應用更可能存在問(wèn)題；不同廠(chǎng)家的產(chǎn)品不具備互操作能力，不具有通用性。
Zigbee是一種近年來(lái)才興起的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)標準，它出現的時(shí)間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規范，尚未進(jìn)入大規模的商業(yè)化生產(chǎn)和應用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、 CompXs、Ember四家公司在今年4月通過(guò)了Zigbee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所做的測試和兼容性驗證。預計從2006年開(kāi)始，基于Zigbee的無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品和應用會(huì )迅速得到普及和高速發(fā)展。
1 Zigbee技術(shù)及應用
1.1 主要技術(shù)特點(diǎn)
Zigbee一詞源自蜂蜜群在發(fā)現花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現“無(wú)線(xiàn)”的溝通。人們借此稱(chēng)呼一種專(zhuān)著(zhù)于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)、亦包含寓意。
Zigbee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)）協(xié)議標準，但在此基礎上進(jìn)行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò )層、應用會(huì )聚層和高層應用規范（API）由Zigbee聯(lián)盟進(jìn)行了制定，整個(gè)協(xié)議架構如圖1所示。
Zigbee是以一個(gè)個(gè)獨立的工作節點(diǎn)為依托，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，因此、每個(gè)節點(diǎn)的功能并非都相同。為降低成本，系統中大部分的節點(diǎn)為子節點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，稱(chēng)為精簡(jiǎn)功能設備；而另外還有一些節點(diǎn)，負責與所控制的子節點(diǎn)通信、匯集數據和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱(chēng)之為全功能設備（也稱(chēng)為協(xié)調器），如圖2所示。
Zigbee的特點(diǎn)突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個(gè)方面：
①低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時(shí)。
②低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專(zhuān)利費。
③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。
④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3Km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。
⑤短時(shí)延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)一步節省了電能，相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3S。
⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn)；同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理；最多可組成65 000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng)。
⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無(wú)安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES－128）的對稱(chēng)密碼，以靈活確定其安全屬性。
⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療（ISM）頻段。2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。
1.2 Zigbee產(chǎn)品應用
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，典型的傳輸數據類(lèi)型有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制（如自動(dòng)控制設備、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )），醫護（如監視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警）消費類(lèi)電子設備的遙控裝置，PC外設的無(wú)線(xiàn)連接等領(lǐng)域。
一般而言，滿(mǎn)足如下一些特點(diǎn)的應用場(chǎng)合，是Zigbee應用極具優(yōu)勢的地方：
①需要無(wú)線(xiàn)通信交換信息的低成本裝置；
②數據的交換量較小、傳輸的速率要求不高；
③功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長(cháng)時(shí)間；
④需要多個(gè)（尤其是大量）設備組成無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，主要進(jìn)行監測和控制的場(chǎng)合。
依據Zigbee的聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠(chǎng)商的基本設想，產(chǎn)品應提供一站式的解決方案，以方便應用，使那些不熟悉RF技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供RF的無(wú)線(xiàn)信道解決方案，同時(shí)其內置的協(xié)議棧將Zigbee的通信、組網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)溝通方面的工作已完全由產(chǎn)品實(shí)現，用戶(hù)只需要根據協(xié)議提供的標準接口進(jìn)行應用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡(jiǎn)化，完成Zigbee協(xié)議的內嵌處理器一般可采用低價(jià)低功耗的8位MCU。
Chipcon公司推出的高度整合的系統級射頻收發(fā)器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128KB閃存、8KBRAM以及8051八位MCU核；另外還集成了模數轉換器（ADC），定時(shí)器、AES－128協(xié)同處理器、看門(mén)狗、32kHz晶振休眠定時(shí)器、上電復位和掉電檢測電路，以及21個(gè)可編程I/O引腳；使這寬產(chǎn)品就是一個(gè)具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，包括協(xié)調器、路由器和終端設備等。
此外、不少廠(chǎng)商也推出了Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案。如Freescale公司發(fā)布的低功耗2.45GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，并在一個(gè)配套的MCU上實(shí)現Zigbee的協(xié)議棧；傳輸速率為250kbps，采用正交QPSK調制和直接序列擴頻編碼，通過(guò)1個(gè)四線(xiàn)串行接口與MCU通信，Helicomm公司推出的IP－Link 1200 Zigbee開(kāi)發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標準的2.4GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網(wǎng)絡(luò )軟件和全波長(cháng)天線(xiàn)，每次接力通信都能在75m范圍內提供250kbps的速率；支持最新的RS232－mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀和多次跳接（multihop）無(wú)限網(wǎng)絡(luò )內支持串行數據路由，速率最高可達38.4kbps。
可以看出，一些國際著(zhù)名的半導體廠(chǎng)商已在積極推出Zigbee產(chǎn)品，有望在今后一段時(shí)間通過(guò)商業(yè)化推進(jìn)，使Zigbee產(chǎn)品應用得到極大擴展，但同時(shí)，也有一些RF廠(chǎng)商在發(fā)展自己的專(zhuān)有產(chǎn)品，如Zensys公司就積極推進(jìn)它的Z－Wave無(wú)線(xiàn)協(xié)議，尤其在家庭自動(dòng)化領(lǐng)域與其爭奪市場(chǎng)；另外，Dust公司堅持使用自己的技術(shù)；Ember公司雖然大舉進(jìn)軍Zigbee領(lǐng)域，但也計劃繼續提供自己的專(zhuān)有EmberNet技術(shù)?？梢哉f(shuō)，Zigbee的應用并非一片坦途，需要Zigbee聯(lián)盟及廠(chǎng)商的持續努力和市場(chǎng)的廣泛認同。
2 與其他幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的比較
目前，市場(chǎng)上近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要有無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)WiFi、藍牙和一些專(zhuān)用標準（如Ad－h(huán)oc網(wǎng)等）的產(chǎn)品。一些大公司為開(kāi)拓市場(chǎng)和應用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù)標準，如無(wú)線(xiàn)（USB、超寬帶通信UWB和WiMax等，下面對這些技術(shù)作一些簡(jiǎn)要介紹和比較。
藍牙技術(shù)發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個(gè)年頭，一直受芯片價(jià)格高、廠(chǎng)商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問(wèn)題的困擾。目前主要應用在無(wú)線(xiàn)耳機等不需要很高傳輸帶寬的領(lǐng)域，且互通性方面也存在問(wèn)題。
WiFi在Intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領(lǐng)市場(chǎng)；采用IEEE802.11b標準，使用2.4GHz直接序列擴頻，最大數據傳輸速率為11Mbps，并可根據信號強弱把傳輸率調整為5.5Mbps、2Mbps和1Mbps帶寬；采用最新的802.11g時(shí)，速率可達54Mbps，是目前應用最廣的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議。
借助USB在PC上的廣泛應用，無(wú)線(xiàn)USB也受Intel、HP、微軟等幾家PC領(lǐng)域大公司的力推，已于近期制定了無(wú)線(xiàn)USB規范。使用WiMedia聯(lián)盟的MB－OFDM超寬帶MAC和PHY層，通信距離在3～10M，最高速率在480Mbps，有望短期內在PC周邊設備的無(wú)線(xiàn)連接上得到大量應用。
UWB是一種未來(lái)短距離寬帶無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。由于未采用通常無(wú)線(xiàn)收發(fā)中的載波調制技術(shù)，因此它不需要混頻、過(guò)濾和射頻/中頻轉換模塊，實(shí)現了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術(shù)陣營(yíng)競爭技術(shù)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)品之間的大容量數據傳輸。
作為WiFi下一代技術(shù)的WiMax，被設想成一項無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)接入技術(shù)，在傳輸距離和速度方面均勝過(guò)WiFi，最高接入速率為70Mbps，信號傳輸半徑可達到50km，圖4是以上幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的速率/距離比較。
從圖4中看，主要無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的空缺，與其他標準在應用上幾乎無(wú)交叉。在實(shí)際應用環(huán)境中，低速率、低成本的無(wú)線(xiàn)通信在自動(dòng)控制、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、家居自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場(chǎng)。從現今的市場(chǎng)看、每一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的產(chǎn)品都有各自的一些特點(diǎn)，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時(shí)間內，雖然會(huì )有一些競爭，但仍會(huì )有多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的產(chǎn)品在市場(chǎng)上共存。
結語(yǔ)
無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信是當今工業(yè)控制、計算機應用、家庭自動(dòng)化等方面技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)，而低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要求令Zigbee應運而生；高度集成化的軟、硬件架構和產(chǎn)品，也使應用人員如虎添翼，更快、更方便地進(jìn)行最終產(chǎn)品設計。這些顯示出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(shù)人員關(guān)注，并加入到它的應用行列。
本文摘自《單片機與嵌入式系統應用》
