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ZigBee的相关应用及优点分析

2014-08-28 15:57
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一、引言    
  长期以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是Bluetooth的售价一直居高不下,严重影响了这些厂商的使用意愿。如今,这些业者都参加了IEEE802.15.4小组,负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线技术,用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。 

   
  
  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。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。所以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。 

二、IEEE 802.15.4和ZigBee介绍  
 
 
  IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。

    
  2.1 802.15.4协议架构及其技术特点  

  
  IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层。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,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层服务。

  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。它们都基于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。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。   

  2.2 ZigBee技术概述
 
 
  
  ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

    
  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,IEEE802.15.4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:    
  (1)安全与鉴权;    
  (2)多个业务数据流的会聚;    
  
  (3)设备发现;    
  (4)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:    
  (1)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;    
  (2)同IEEE802.15.4标准一样,非常省电;    
  (3)有自组织、自维护功能,以大程度减少消费者的开支和维护成本。  
  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:    
  (1)8位处理器,如80c51;    
  (2)协议套件软件需要32kbytes的ROM;    
  (3)最小协议套件软件大约4kbytes的ROM;    
  (4)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。

    
  2.3 整个协议构架 
 
  
  在标准制定的分工上,由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组共同制定,其中实体层、MAC层、资料链结层,以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导,并共同针对ZigBee Protocol Stack的发展进行研讨,而未来还能依系统客户的需求,为不同应用修正其所需之应用介面。

 
  2.4 IPV6 Over 802.15.4 
 
   
  ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术,到2007年将达到30亿节点。具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间,但是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。IPv6采用128位地址长度,几乎可以不受限制地提供地址。按保守方法估算,IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。IPv6在设计过程中,除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外,还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题,如端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。因此,将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft,其标准也不久将出台。  

三、ZigBee技术的优势及应用  

  
  3.1 ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较 

  
 
     IEEE 802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置,安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。这是由其主要技术优势决定的:    
  1.数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输应用。    
  2.功耗低:在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。    
  3.成本低:ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。且免收专利费。    
  4.网络容量大:每个ZigBee网络最多可支持255个设备。    
  5.时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。    
  6.安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法。    
  7.有效范围小:有效覆盖范围10~75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。    
  8.工作频段灵活:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。    
  

    与之相反,蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品,经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它可以在不充电的情况下工作几周,但无法工作几个月,更不用说几年了;一般情况下,蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接;它可以用来有效地处理8个设备(一个主设备和7个从设备),如果更多的话,通讯速率则显著下降。而802.11 也被称作Wi-Fi也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线网络的很好的解决方案,但它的功耗却非常高。 

   
  3.2 可能应用及市场发展   

  ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络,同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期,将以工业或企业市场的感应式网路为主,提供感应辨识、灯光与安全控制等功能,再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术:    
  1.设备成本很低,传输的数据量很小;    
  2.设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;    
  3.没有充足的电力支持,只能使用一次性电池;    
  4.频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;    
  5.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。 

   
  根据ZigBee Alliance的观点,一般家庭可将ZigBee应用于以下装置:    
  1.空调系统的温度控制器 灯光、窗帘的自动控制;    
  2.老年人与行动不便者的紧急呼叫器;    
  3.电视与音响的万用遥控器 无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具;    
  4.烟雾侦测器;    
  5.智慧型标签。    

  四、小结  

  
  本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4标准及其相关应用,讨论了它们的关系和相对其它技术的优点,并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。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。