zigbee概述

　　“ZigBee”是什么？從字面上猜像是一種蜜蜂。因為“ZigBee”這個詞由“Zig”和“Bee”兩部分組成，“Zig”取自英文單詞 “zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳著“之”字形舞的蜜蜂。不過，ZigBee并非是一種蜜蜂，事實上，它與藍牙類似是一種新興的短距離無線通信技術，國內也有人翻譯成“紫蜂”。

　　這只蜜蜂的來頭還是要從它的歷史開始說起，早在上世紀末，就已經有人在考慮發展一種新的通信技術，用于傳感控制應用（sensor and control），這個想法后來在IEEE 802.15工作組當中提出來，于是就成立了TG4工作組，并且制定了規范IEEE 802.15.4。但是IEEE 802的規范只專注于底層，要達到產品的互操作和兼容，還需要定義高層的規范，于是2002年ZigBee Alliance成立，正式有了“ZigBee”這個名詞。兩年之后，ZigBee的第一個規范ZigBee V1.0誕生，但這個規范推出的比較倉促，存在一些錯誤，并不實用。此后ZigBee Alliance又經過兩年的努力，推出了新的規范ZigBee 2006，這是一個比較完善的規范。據聯盟最新的消息，今年年底將會發布更新版本的規范ZigBee 2007，這個版本增加了一些新的特性。

　　Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很低的功耗，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，這些數據就可以進入計算機用于分析或者被另外一種無線技術如WiMax收集。

　　從ZigBee的發展歷史可以看到，它和IEEE 802.15.4有著密切的關系，事實上ZigBee的底層技術就是基于IEEE 802.15.4的，因此有一種說法認為ZigBee和IEEE 802.15.4是同一個東西，或者說“ZigBee”只是IEEE 802.15.4的名字而已，其實這是一種誤解。實際上ZigBee和IEEE 802.15.4的關系，有點類似于WiMAX和IEEE 802.16，Wi-Fi和IEEE 802.11，Bluetooth和IEEE 802.15.1?！癦igBee”可以看作是一個商標，也可以看作是一種技術，當把它看作一種技術的時候，它表示一種高層的技術，而物理層和MAC層直接引用IEEE 802.15.4。事物是不斷的發展變化的，尤其是通信技術，可以想象將來的ZigBee可能不會使用IEEE 802.15.4定義的底層，就跟藍牙（Bluetooth）宣布下一代底層采用UWB技術一樣，但是“ZigBee”這個商標以及高層的技術還會繼續保留。

　　ZigBee協議棧速讀

　　我們無法預料將來ZigBee會基于怎樣的底層技術，只好從它現在的底層——IEEE 802.15.4開始了解，IEEE 802.15.4包括物理層和MAC層兩部分。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不相同，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz， 2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區別，雖然都使用了直接序列擴頻（DSSS）的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看發射機基帶部分的框圖（如圖1），可以看到物理層部分非常簡單，而IEEE 802.15.4芯片的低價格正是得益于底層的簡單性?？赡芪覀儠乃男阅?，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比較（如圖2），在同樣比特信噪比的情況下，IEEE 802.15.4要優于其他兩者。直接序列擴頻技術具有一定的抗干擾效果，同時在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術。在發射功率為0dBm的情況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室內通常能達到30~50m作用距離，在室外如果障礙物較少，甚至可以達到100m作用距離;同時調相技術的誤碼性能要優于調頻和調幅技術。因此綜合起來，IEEE 802.15.4具有性能比較好的物理層。另一方面，我們可以看到IEEE 802.15.4的數據速率并不高，對于2.4GHz頻段只有250kb/s，而868MHz頻段只有20kb/s，915MHz頻段只有40kb/s。因此我們完全可以把它歸為低速率的短距離無線通信技術。

　　圖1 IEEE 802。15.4 物理層2.4GHz頻段發射機基帶框圖

　　圖2 幾種無線通信技術性能比較

　　物理層的上面是MAC層，它的核心是信道接入技術，包括時分復用GTS技術和隨機接入信道技術CSMA/CA。不過ZigBee實際上并沒有對時分復用GTS技術進行相關的支持，因此我們可以暫不考慮它，而專注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的網絡所有節點都工作在同一個信道上，因此如果鄰近的節點同時發送數據就有可能發生沖突。為此MAC層采用了CSMA/CA的技術，簡單來說，就是節點在發送數據之前先監聽信道，如果信道空閑則可以發送數據，否則就要進行隨機的退避，即延遲一段隨機時間，然后再進行監聽，這個退避的時間是指數增長的，但有一個最大值，即如果上一次退避之后再次監聽信道忙，則退避時間要增倍，這樣做的原因是如果多次監聽信道都忙，有可能表明信道上的數據量大，因此讓節點等待更多的時間，避免繁忙的監聽。通過這種信道接入技術，所有節點競爭共享同一個信道。在MAC層當中還規定了兩種信道接入模式，一種是信標（beacon）模式，另一種是非信標模式。信標模式當中規定了一種“超幀”的格式，在超幀的開始發送信標幀，里面含有一些時序以及網絡的信息，緊接著是競爭接入時期，在這段時間內各節點以競爭方式接入信道，再后面是非競爭接入時期，節點采用時分復用的方式接入信道，然后是非活躍時期，節點進入休眠狀態，等待下一個超幀周期的開始又發送信標幀。而非信標模式則比較靈活，節點均以競爭方式接入信道，不需要周期性的發送信標幀。顯然，在信標模式當中由于有了周期性的信標，整個網絡的所有節點都能進行同步，但這種同步網絡的規模不會很大。實際上，在ZigBee當中用得更多的可能是非信標模式。

　　MAC層往上就屬于ZigBee真正定義的部分了，我們可以參看一下ZigBee的協議棧（圖3）。底層技術，包括物理層和MAC層由IEEE 802.15.4制定，而高層的網絡層、應用支持子層（APS）、應用框架（AF）、ZigBee設備對象（ZDO）和安全組件（SSP），均由 ZigBee Alliance所制定。

　　圖3 ZigBee協議棧

　　這些部分當中最下面的是網絡層。和其他技術一樣，ZigBee網絡層的主要功能是路由，路由算法是它的核心。目前ZigBee網絡層主要支持兩種路由算法—樹路由和網狀網路由。樹路由采用一種特殊的算法，具體可以參考ZigBee的協議棧規范。它把整個網絡看作是以協調器為根的一棵樹，因為整個網絡是由協調器所建立的，而協調器的子節點可以是路由器或者是末端節點，路由器的子節點也可以是路由器或者末端節點，而末端節點沒有子節點，相當于樹的葉子。這種結構又好像蜂群的結構，協調器相當于蜂后，是唯一的，而路由器相當于雄蜂，數目不多，末端節點則相當于數量最多的工蜂。其實有很多地方仔細一想，就可以發現ZigBee和蜂群的許多暗合之處。樹路由利用了一種特殊的地址分配算法，使用四個參數—深度、最大深度、最大子節點數和最大子路由器數來計算新節點的地址，于是尋址的時候根據地址就能計算出路徑，而路由只有兩個方向—向子節點發送或者向父節點發送。樹狀路由不需要路由表，節省存儲資源，但缺點是很不靈活，浪費了大量的地址空間，并且路由效率低，因此常常作為最后的路由方法，或者干脆不用。ZigBee當中還有一種路由方法是網狀網路由，這種方法實際上是AODV路由算法的一個簡化版本，非常適合于低成本的無線自組織網絡的路由。它可以用于較大規模的網絡，需要節點維護一個路由表，耗費一定的存儲資源，但往往能達到最優的路由效率，而且使用靈活。除了這兩種路由方法，ZigBee當中還可以進行鄰居表路由，其實鄰居表可以看作是特殊的路由表，只不過只需要一跳就可以發送到目的節點。

　　網絡層的上面是應用層，包括了APS、AF和ZDO幾部分，主要規定了一些和應用相關的功能，包括端點（endpoint）的規定，還有綁定 （binding）、服務發現和設備發現等等。其中端點是應用對象存在的地方，ZigBee允許多個應用同時位于一個節點上，例如一個節點具有控制燈光的功能，又具有感應溫度的功能，又具有收發文本消息的功能，這種設計有利于復雜ZigBee設備的出現。而綁定是用于把兩個“互補的”應用聯系在一起，如開關應用和燈的應用。更通俗的理解，“綁定”可以說是通信的一方了解另一方的通信信息的方法，比如開關需要控制“燈”，但它一開始并不知道“燈”這個應用所在的設備地址，也不知道其端點號，于是它可以廣播一個消息，當“燈”接收到之后給出響應，于是開關就可以記錄下“燈”的通信信息，以后就可以根據記錄的通信信息去直接發送控制信息了。服務發現和設備發現是應用層需要提供的，ZigBee定義了幾種描述符，對設備以及提供的服務可以進行描述，于是可以通過這些描述符來尋找合適的服務或者設備。

　　ZigBee還提供了安全組件，采用了AES128的算法對網絡層和應用層的數據進行加密保護，另外還規定了信任中心（trust center）的角色—全網有一個信任中心，用于管理密鑰和管理設備，可以執行設置的安全策略。

　　Zigbee的基礎是IEEE802.15.4（如下圖1所示），這是IEEE無線個人區域網（Personal Area Network，PAN）工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4（Zigbee）技術標準。

　　IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化（如下圖2所示）。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。Zigbee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。