ZigBee规范与系统设计需求剖析

无线技术在人们的生活中愈来愈重要，目前市场上的焦点技术包括Wi-Fi、3G/HSDPA、WiMAX、UWB、蓝牙等等，这些技术都与人们直接存取数据的应用有关，例如上网、下载影音文件或拨打电话。不过，有另一类无线应用也正在快速的发展中，此类应用与人们的使用虽不一定直接相关，但对生活的便利性也有相当大的帮助。

这就是所谓的无线传感或控制网络，其应用领域非常广，只要是具有控制或传感功能的电子设备，在加入无线通讯功能后，再结合适当的网络拓朴机制，就能组成具有自动控制、传感及监控等功能的电子设备网络系统，例如可用于家庭看护监控、入侵监控、家电自动化、工厂作业监控、资产出货管理及环境监测等等。

这种网络系统有一些特性，与我们常用的网络很不相同，这些特性大致整理如下：

*它们只需传输有限的数据，因此不会要求高速的带宽；

*无线收发器的传输距离不需太远，但要能与邻近节点形成可靠的网络；

*这类装置通常使用电池做为电源，而且需要有长时间的使用寿命，因此必须是非常省电的设计；

*这类装置的尺寸通常很小，因此内部的元件集成度要高；

*它们的使用环境可能极为严苛，所以耐用性要求甚高；

*网络布建的规模可能很大，因此建置及设备成本不能太高；

*在建置上需考虑节点及通讯网路在故障状况下的容错性。

能满足这些条件的无线技术并不多，ZigBee正是专为此类应用而规划的技术，以下将介绍ZigBee的重要技术规格及系统架构。

ZigBee底层技术：IEEE 802.15.4

ZigBee是由ZigBee Alliance所制定的无线网络协议，此联盟是由50多家公司联合起草的，目前加入的公司已有大约200家，他们来自半导体业、软件开发商、终端产品制造商和服务供货商，其中一些来自电信业。会员中虽然有很多国际知名的厂商，但目前并没有真正能主导市场或技术发展的厂商。ZigBee的第一个公开版本(ZigBee V1.0)于2005年6月底公布，在2006年12月又制定了V1.1的新版本，此版本又称为ZigBee 2006；从发布至今，市场上有超过30个兼容的平台。下一版V1.2正在如火如荼的制定中，预定在今年年中会公布，此版本又称为ZigBee Pro或ZigBee 2007。


图1 ZigBee节点结构模型

ZigBee规范是专为大型网络而设计的，它最多能支持65536个网络节点。它的底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层(MAC)及物理层(PHY)，能够满足无线控制及传感应用所需要的低传输率、低功耗、支持大量网络节点等条件。在无线射频部分，IEEE 802.15.4支持2.4GHz(2450MHz)和868/915MHz两个频段，其中2.4GHz频段中可提供250kbit/s的物理层数据传输率，以及16个不同的信道；868/915MHz频段中，868MHz支持1个数据速率为20kbit/s的信道，915MHz支持10个数据速率为40kbit/s的信道。针对2.4GHz频段，802.15.4采用Offset QPSK调变技术，并在868/915MHz的频段采用BIT/SK，此做法能让功耗降到最低，也能减少设计复杂度。此外，它也导入直接序列扩频(DSSS)技术，DSSS采用全频带传送数据，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声。ZigBee工作在IEE802.15.4规范的ISM频段，在欧洲是868MHz，在美国是915MHz，在其他国家主要是使用2.4 GHz频段。至于MAC层方面，802.15.4规范了相邻设备间单跳数据通讯的规则，它负责设立与网络的同步，支持关联和去关联以及MAC层安全：它能提供两个设备之间的可靠链接。

ZigBee协定

再来看看ZigBee协定。它的协议层从下到上分别为物理层(PHY)、媒体存取层(MAC)、网络层(NWK)和应用层(APL)等。网络装置的角色可分为ZigBee 协调器(Coordinator)、ZigBee Router、ZigBee EndDevice等三种。它支持星状(Star)、网状(Mesh)和网状-树状(Mesh-tree)三种网络拓朴。其中星状网络最单纯，所有的信息都会路由到协调器，由协调器来发起一个网络、设定各项网络参数，并分派网络地址，这和网络集线器(hub)的架构很相似。


图2 ZigBee协议层结构

1. 拓朴架构

ZigBee网状网络是AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector routing)技术的修改版本，它使信息在节点之间传递，即便任何节点失效或掉线，数据仍能到达目的地，因此具有最佳的可靠性。协调器只需启动这个网络，建立后，就不用担心因某一点故障而造成网络不通。当有更多的收发器或节点加入，就会形成更密集的网络，进而提升其可靠度。


图3 各种网络拓扑

Mesh-tree网络则采用C-Skip算法，也就是依协调器、路由器和终端器的角色来决定节点的布局。每个路由器都知道自己的下属节点，当它收到讯号时，会使用一套公式来决定如何传送这个信息。纯粹的树状网络本身并不可靠，因为连结随时可能会中断，加入Mesh的功能就能自我修复中断的连结。