新型无线通信技术Zigbee

　　1、引言

　　随着通信技术的快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等都迫切需要一种具备低成本、近距离、低功耗、组网能力强等优点的无线互联标准，Zigbee就是在这样的背景下应运而生的。Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司共同宣布，将加盟“Zigbee联盟”来研发下一代无线通信标准“Zigbee”。这一标准主要用于近距离无线连接，适合承载数据流量较小的工业控制、医用设备控制、汽车自动化、农业自动化和消费性电子设备等。

　　2、Zigbee技术

　　(1)Zigbee与IEEE802.15.4

　　Zigbee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的关于组网、安全和应用软件等方面的技术标准。Zigbee技术并不是完全独立、全新的标准，它的物理层、MAC层采用了IEEE802.15.4协议标准。

　　IEEE802.15.4标准是由IEEE无线个人局域网(PAN)工作组制定的。这一标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速率连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等应用领域。IEEE802.15.4工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4GHz频段物理层和868MHz(欧洲)/915 MHz(北美)频段物理层。在802.15.4标准中，总共分配了27个具有三种速率的信道：在2.4 GHz频段有16个速率为250 kbit/s的信道，在915 MHz频段有10个40 kbit/s的信道，在868 MHz频段有1个20 kbit/s的信道。

　　Zigbee联盟在IEEE802.15.4物理层、MAC层的基础上，对其网络层协议和应用程序接口(API)进行了标准化，并对安全层进行了开发。完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。应用汇聚层是把不同的应用映射到Zigbee网络上，主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能;网络层则可实现网络的自组织和自维护，从而降低了网络的维护成本。Zigbee协议构架如图1所示。

　　图1 Zigbee协议构架

　　(2)Zigbee的特点

　　Zigbee技术在短距离无线通信领域有着较大的优势，这主要是它的自身特点决定的。Zigbee的特点如下。

　　低功耗：在低功耗待机状态下，两节五号干电池可使用6～24个月，从而免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。

　　短时延：Zigbee的响应速度快，一般从休眠转入工作状态只需要15ms，节点接入网络只需30ms，进一步节省了电能。

　　低速率：Zigbee工作在20～250kbit/s的较低速率，满足低速率数据传输的要求。

　　近距离：有效覆盖范围为10～100m，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

　　低成本：Zigbee简单而紧凑的协议大大降低了其对通信控制的要求，而且Zigbee免协议专利费。

　　大容量：Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，最多可组成65000个节点的大网。

　　高安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权能力，采用AES-128加密算法。

　　免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)、868MHz(欧洲)。

　　(3)Zigbee与蓝牙技术的比较

　　Bluetooth(蓝牙)技术是一种无线数据与通信的开放性标准，它基本上只是设计作为有线的替代品。蓝牙也工作在2.4GHzISM频段，使用跳频频谱扩展技术。它可以在不充电的情况下工作几周，但无法工作几个月，更不可能达到几年。一般情况下，蓝牙同一时间只能处理8个设备，如果更多的话，通信速率将显著下降。

　　蓝牙技术和Zigbee都致力于短距离无线连接，有很多相似之处，但也有很多不同点。Zigbee与蓝牙的特征比较如表1所示。

　　表1 Zigbee与Bluetooth特征比较

　　由表1我们可以清楚地看到Bluetooth技术集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持续时间、节点数以及反应时间等方面都无法与Zigbee相比拟。可以说Zigbee填补了低速率端无线通信技术的空缺，而且它与其他标准在应用上几乎是无交叉的，这使得Zigbee在工业控制、无线传感器网络等领域中比Bluetooth更具有优势。

　　3、Zigbee的高节能性

　　Zigbee之所以得到众多厂商的大力支持，其低功耗特性是主要原因之一。对电池供电的简单器件而言，更换电池的花费往往比器件本身的成本还要高。在有些应用中，更换电池不仅麻烦，而且实际上是不可行的，如嵌在汽车轮胎中的气压传感器或高密度布设的大规模传感器网络。

由于Zigbee应用的低带宽要求，Zigbee节点可以在大部分时间内处于睡眠状态，以节省电池能量。当需要发送数据时，节点将被快速唤醒并进入发送数据状态，结束发送后又会转入睡眠状态。Zigbee可以在15ms或更短的时间内由睡眠状态进入工作状态，因此即使处于睡眠状态