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Zigbee技术概述

    ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

    一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。从图1中可以看出，相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于Zigbee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小的业务。

    IEEE802.15委员会制定了三种不同的WPAN标准，区别在于通信速率、QoS能力等。802.15.3标准是高速率的WPAN标准，适合于多媒体应用，有较高的QoS保证。802.15.1标准即蓝牙技术，具有中等速率，适合于从蜂窝电话到PDA的通信，其QoS机制适合于话音业务。

    802.15.4标准也就是Zigbee技术，目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用，对数据速率和QoS的要求不高。

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Zigbee技术的主要优点有：

    ＊省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，Zigbee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的；

    ＊可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

    ＊成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且Zigbee协议是免专利费的；

    ＊时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms；

    ＊网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；

    ＊安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

Zigbee协议套件

    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。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准。
   应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体而言包括：
   * 安全与鉴权；
   * 多个业务数据流的会聚；
   * 设备发现；
   * 业务发现。

网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议，应包含以下功能：

    * 通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；
   * 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电；
   * 有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。

    IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC（Media Access Control，媒介接入控制）两个子层。LLC子层在IEEE802.6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层的服务。
LLC子层的主要功能包括：
   * 传输可靠性保障和控制；
   * 数据包的分段与重组；
   * 数据包的顺序传输。

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IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：
   * 设备间无线链路的建立、维护和结束；
   * 确认模式的帧传送与接收；
   * 信道接入控制；
   * 帧校验；
   * 预留时隙管理；
   * 广播信息管理。

    IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，
915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

    相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计：

    * 8位处理器，如80c51；
   * 全协议套件软件需要32kbytes的ROM；
     * 最小协议套件软件大约4kbytes的ROM；
     * 网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。

Zigbee的应用实例

Zigbee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。
     通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：
     * 设备成本很低，传输的数据量很小；
     * 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
     * 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；
     * 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；
     * 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。

    Zigbee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

    在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少Zigbee网络的维护成本。

    在汽车上，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。
在精确农业，或者叫精确耕种的应用中，无线电传播特性良好，但是需要成千上万的传感器构成比较复杂的控制网络。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和Zigbee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由Zigbee网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

    医学领域，将借助于各种传感器和Zigbee网络，准确而且实时地监测每个病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

    消费和家用自动化市场是Zigbee技术最有潜力的市场。据估测，每个家庭需要100到150个Zigbee设备。可以联网的家用设备包括电视、录像机、PC外设、儿童玩具、游戏机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。家用设备引入Zigbee技术后，将大大改善人们居住环境和舒适度，特别适合于儿童、老年人和残疾人士使用。同时基于Zigbee技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而在一定程度上降低这些设备的生产和使用成本。

    根据业务流的特征，Zigbee的应用可以划分成连续性业务、周期性业务和间断性业务三种。连续性业务定义为要求低时延数据传输的业务，键盘、鼠标和游戏杆属于这种类型。周期性业务是在固定的时间间隔传输数据的低速率业务，传感器、流速计和警报系统是周期性业务的代表。而间歇性业务则以不规则的时间间隔传输数据，室内照明设施的开关和家用电器遥控器属于这种类型。

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目前小范围内设备的联网，如家庭网络，主要包括有线和无线两种实现方式。随着大量、廉价和高度集成的无线模块的普及，以及其它无线通信技术，如GSM蜂窝电话和WLAN的成功，无线联网技术以其安装成本低，使用方便等特点正在成为家庭网络和家庭自动化领域的首选技术。

    家庭联网主要用于包括互联网连接、多个PC互联、音频视频设备联网、家庭自动化、节能和安全保障等方面，其中每一种应用都有不同的带宽、成本和安装复杂度的要求。随着互联网的爆炸性的发展，目前无线通信技术主要致力于如何提高通信速率。而另一方面，如家庭自动化、安全保障和游戏相关的应用并不需要很高的吞吐量，这些应用如果使用现有的、过于复杂的无线通信技术将非常耗电，占用过多的计算和通信资源，同时大大增加了设备成本。

    比如说在窗户上安装一个廉价的小型温度传感器，该传感器每隔几十分钟向家用电脑发送一次温度数据，以记录温度的变化情况。显然使用有线连接是不现实的，有线连接导致室内复杂的布线系统，不仅影响美观，而且连接线的成本将很可能高于传感器的成本。因此采用的无线通信模块的成本要非常低，同时由于温度传感器一般使用电池供电，这就要求使用的无线通信技术必须非常省电。显然仅仅为了连接的需要而使用IEEE802.11技术是大材小用了；而蓝牙技术本来是用来代替电缆的，但现在的蓝牙设备正在变得越来越复杂，已经不能满足低功耗的需求。802.11和蓝牙设备都要求定期更换电池或者充电，而频繁地更换电池将给用户带来很大的不便。

    为了满足类似于温度传感器这样小型、低成本设备无线联网的要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组将致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。

    ZigBee正是这种技术的商业化命名。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

    在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由Zigbee联盟负责。ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。同时，IEEE802.15.4标准也吸引了其他标准化组织的注意力，比如IEEE1451工作组正在考虑在IEEE802.15.4标准基础上实现传感器网络(Sensor Networks)。

    正式的IEEE802.15.4协议将在今年上半年发布，芯片和产品有望在今年面市。每个Zigbee通信模块的成本将有望控制在1.5美元到2.5美元之间。分析家认为，到2006年，ZigBee设备将会达到每年4亿台的市场规模。预计4～5年内，每个家庭将会安装大约50个ZigBee设备，最终达150个ZigBee设备。6～7年内占据家庭自动化市场的三分之二。

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Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。

    随着正式版本协议的即将公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式Zigbee功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。

wind20020101

不错，联系一下！

pupist

我也做这个 有兴趣邮件联系
pup@mailst.xjtu.edu.cn

leonis

关键还是在于成本，协议的大小决定了ROM大小，这也是制约单片机成本或者说Zigbee模块成本的关键点。