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什么是无线网络通信技术Zigbee？

介绍

对于嵌入式系统应用，经常需要相互通信以交换测量数据和控制指令。目前使用的方法多为有线连接，包括点对点或总线，如RS485、CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展，在一些不方便或者需要消除有线连接的场合，无线通信技术有了用武之地。

目前市场上已经有很多公司推出了用于近场通信的射频芯片产品，如工作在2.4GHz的nRF24E1(Nordic)和CC1020/2500(Chipcon)，工作在300~450MHz的MAX7044/7033(Maxim)。很多嵌入式应用也采用了这种技术，但大多只提供无线通信的射频通道，没有标准规范(或者自己的专用标准)来制定MAC层、链路层、网络层的通信协议，所以不兼容。通信的控制软件完全依赖于目标系统的设计，由用户自己完成，不仅增加了工作量，而且编译代码的可靠性和效率也很低，可能导致联网应用出现问题。不同厂商的产品不具备互操作性和通用性。

Zigbee是近几年才兴起的无线网络通信技术标准。它存在的时间很短。由Zigbee联盟于2004年底发布1.0版本规范，尚未进入大规模商业生产和应用。但是，它的上升趋势非常明显。Chipcon，Freescale，CompXs和Ember已经在今年4月通过了Zigbee联盟对其产品进行的测试和兼容性验证。预计从2006年开始，基于Zigbee的无线通信产品和应用将得到迅速普及和发展。

1 Zigbee技术及应用

1.1主要技术特征

Zigbee这个词来源于蜜蜂发现花粉位置时，通过跳之字形的舞蹈来告诉同伴，从而交换信息。可以说，一个小动物用简单的方式实现了“无线”通信。人们称之为以低功耗、低成本、低复杂度、低速率为核心的短距离无线网络通信技术，其中也蕴含着寓意。

Zigbee技术并不是一个完全独特的全新标准。其物理层、MAC层、链路层均采用IEEE802.15.4(无线个域网)协议标准，但在此基础上进行了改进和扩展。其网络层、应用汇聚层和高层应用规范(API)由Zigbee联盟制定，整个协议架构如图1所示。

Zigbee是以独立的工作节点为基础，通过无线通信形成星形、片状或网状网络，所以各个节点的功能不尽相同。为了降低成本，系统中的大部分节点都是子节点，在组网通信中只是其功能的一个子集，称为缩减功能设备。此外，还有一些节点，负责与被控子节点进行通信，收集数据和发布控制，或者起到通信路由的作用，称为全功能设备(也叫协调器)，如图2所示。

Zigbee具有突出的特点，特别是在低功耗和低成本方面，主要表现在以下几个方面：

低功耗。在低功耗待机模式下，两节5号干电池可以支持一个节点工作6~24个月甚至更长时间。这是Zigbee的突出优势。相比较而言，蓝牙可以工作几周，WiFi可以工作几个小时。

成本低。通过大大简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求。根据预测分析，8051的8位微控制器显示全功能主节点需要32KB代码，子功能节点只需要4KB代码，Zigbee免协议专利费。

费率低。Zigbee工作在20~250kbps的低速率，分别提供250kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率数据传输的应用需求。

近距离。传输距离一般在10和10~100m之间，但增加射频发射功率后也可以增加到1 ~ 3km。这是指相邻节点之间的距离。如果中继节点之间进行路由和通信，传输距离会更长。

延时短。Zigbee的响应速度很快。一般从休眠到工作只需要15ms，节点接入网络只需要30ms，进一步省电。相比较而言，蓝牙需要3~10 s，WiFi需要3 s。

容量大。Zigbee可采用星型、片状、网状网络结构，一个主节点管理多个子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时，主节点也可以由上层网络节点管理，最多可以形成65000个节点的大网络。

安全性高。Zigbee提供三级安全模式，包括无安全设置，使用访问控制列表(ACL)防止非法数据获取，采用高级加密标准(AES128)的对称密码灵活确定其安全属性。

免执照频段。直接序列扩频(DSSS)用于ISM频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。

1.2Zigbee产品应用

Zigbee主要用于各种短距离、低功耗、低传输速率的电子设备之间。典型的传输数据类型包括周期性数据、间歇数据和低反应时间数据。根据设想，其应用对象为：工业控制(如自动控制设备、无线传感器网络)、医疗保健(如监控和传感)、家庭智能控制(如照明、水电计量和报警)、消费电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。

一般来说，符合以下特点的应用场合，才是Zigbee应用有很大优势的地方：

　　②数据的交换量较小、传输的速率要求不高;

　　③功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间;

　　④需要多个(尤其是大量)设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。

　　依据Zigbee联盟和参与联盟的主要厂商的基本设想，产品应提供一站式的解决方案，以方便应用，使那些不熟悉RF技术的人员也能迅速上手。因此其产品不仅提供RF的无线信道解决方案，同时其内置的协议栈将Zigbee的通信、组网等无线沟通方面的工作已完全由产品实现，用户只需要根据协议提供的标准接口进行应用软件编程。由于协议栈的简化，完成Zigbee协议的内嵌处理器一般可采用低价低功耗的8位MCU。

　　Chipcon公司推出的高度整合的系统级射频收发器CC2430，如图3所示，集成了RF前端、128KB闪存、8KBRAM以及8051八位MCU核;另外还集成了模数转换器(ADC)、定时器、AES128协同处理器、看门狗、32 kHz晶振休眠定时器、上电复位和掉电检测电路，以及21个可编程I/O引脚。使这款产品就是一个具备Zigbee功能的SoC，可用于各种Zigbee无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备等。

　　此外，不少厂商也推出了Zigbee的产品和全套解决方案。如Freescale公司发布的低功耗2.45GHz集成射频器件MC13192，包含802.15.4物理层，支持星型和网状网络，并在一个配套的MCU上实现Zigbee的协议栈;传输速率为250kbps，采用正交QPSK调制和直接序列扩频编码，通过1个四线串行接口与MCU通信。Helicomm公司推出的IPLink1200 Zigbee开发工具和产品，包含符合802.15.4标准的2.4 GHz射频组件、低功耗的8位微控制器、Zigbee网络软件和全波长天线，每次接力通信都能在75 m范围内提供250 kbps的速率;支持最新的RS232mesh透明串行模式，能在网状或多次跳接(multihop)无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4 kbps。

　　可以看出，一些国际著名的半导体厂商已在积极推出Zigbee产品，有望在今后一段时间通过商业化推进，使Zigbee产品应用得到极大扩展。但同时，也有一些RF厂商在发展自己的专有产品，如Zensys公司就积极推进它的ZWave无线协议，尤其在家庭自动化领域与其争夺市场;另外，Dust公司坚持使用自己的技术;Ember公司虽然大举进军Zigbee领域，但也计划继续提供自己的专有EmberNet技术。可以说，Zigbee的应用并非一片坦途，需要Zigbee联盟及厂商的持续努力和市场的广泛认同。

　　2与其他几种无线通信技术的比较

　　目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、蓝牙和一些专用标准(如Adhoc网等)的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较。

　　蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。

　　WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场;采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5 Mbps、2 Mbps和1 Mbps带宽;采用最新的802.11g时，速率可达54 Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。

　　借助USB在PC上的广泛应用，无线USB也受Intel、HP、微软等几家PC领域大公司的力推，已于近期制定了无线USB规范。使用WiMedia联盟的MBOFDM超宽带MAC和PHY层，通信距离在3~10m，最高速率在480Mbps，有望短期内在PC周边设备的无线连接上得到大量应用。

　　UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5~10m，速率甚至可高达1Gbps，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。

　　作为WiFi下一代技术的WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过WiFi，最高接入速率为70Mbps，信号传输半径可达到50km。图4是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。

　　从图4中看，主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更快的速率;而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广泛的市场。从现今的市场看，每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点，或在距离、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段时间内，虽然会有一些竞争，但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。

　　结语

　　无线组网通信是当今工业控制、计算机应用、家庭自动化等方面技术发展的一个热点，而低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生;高度集成化的软、硬件架构和产品，也使应用人员如虎添翼，更快、更方便地进行最终产品设计。这些显示出Zigbee具有超强的生命力和优势，应用前景十分看好，值得广大嵌入式应用的技术人员关注，并加入到它的应用行列。

本文讲解完毕，希望对大家有所帮助。