ZigBee的技术支持及其应用前景

ZigBee的技术支持及其应用前景华东理工大学凌志浩2006.5.18内容提要ZigBee技术和特征ZigBee的适用条件和应用前景ZigBee无线通信协议的技术支持应用开发初步ZigBee技术和特征ZigBee的适用条件和应用前景ZigBee无线通信协议的技术支持应用开发初步IEEE802.15WPAN工作组负责制定无线个人网WPAN的通信标准。IEEE802.15下面有4个分标准：802.15.1为BlueTeeth（蓝牙），802.15.2为共存性802.15.3为高数据传输率的WPAN，802.15.4为低数据传输率的WPAN。802.15.1、802.15.2、802.15.3和802.15.4均正式公布。短程无线网络的标准什么是ZigBee?ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。802.15.4强调的就是省电、简单、成本又低的规格。802.15.4的物理层（PHY）采用直接序列展频（DSSS，DirectSequenceSpreadSpectrum）技术，以化整为零方式，将一个讯号分为多个讯号，再经由编码方式传送讯号避免干扰。在媒体存取控制（MAC）层方面，主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作，若有产生碰撞，则稍后重新再传。可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。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、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。ZigBee与IEEE802.15.4ZigBee是一组基于IEEE批准的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。IEEE802.15.4仅处理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。一个真正的ZigBee，由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。ZigBee协议套件的基本需求：8位处理器协议套件软件需要32K字节的ROM最小协议套件软件需要4K字节的ROM通常，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的特点•数据传输速率低：10KB/秒~250KB/秒，专注于低传输应用•功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月•成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本•网络容量大：网络可容纳65,000个设备。•时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。•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（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性。•有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定•工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段频带使用范围数据传输率信道数2.4GHzISM全世界250kbps16868MHz欧洲20kbps1915MHzISM北美40kbps10ZigBee的频带和数据传输率ZigBee网络中传输的三类数据周期性数据：如家庭中水、电、气三表数据的传输；烟雾传感器间断性数据：如电灯、家用电器的控制等数据的传输反复性的低反应时间的数据：如鼠标、操作杆传输的数据ZigBee网络中的三种设备类型网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。•附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征•更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。•也能用作终端设备精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。•附带有限的功能来控制成本和复杂性•在网络中通常用作终端设备。•ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。设备类型拓扑类型可否成为网络协调器通话对象全功能器件（FFD）星形，树形，网状可以任何ZigBee设备简化功能器件（RFD）星形不可以只能与协调器通话ZigBee网络拓扑模型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD)：只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。星型网状型簇状型无线组网基础网络扫描–装置扫描16个信道，以确定可占用的最佳信道。组建/连接一个PAN–装置可在自由信道上组建一个网络（协调器）或连接到一个已存在的网络上。装置搜寻–装置询问网络，以在活动信道中搜寻相符的装置。服务搜寻–装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务。绑定–装置间通过命令/控制信息实现通信。物理信道形成ZigBee网络的方法一个网络的形成，必须由FFD率先担任网络协调者，建立网络，再由其它的FFD或是RFD加入这个网络，不过RFD只能和FFD连结。根据装置在网络中的功能，预先对装置编制好程序–协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来启动一个网络。–路由器(一个网络中的mesh设备)的功能是通过扫描搜索，以发现一个激活的信道并将其连接，然后允许其它装置连接。–终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置–允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化。将装置与可提供完整服务的其它装置进行绑定–绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征。一个完整的无线传感器网络通常包括数据捕获网和数据分配网两部分。ZigBee技术和特征ZigBee的适用条件和应用前景ZigBee无线通信协议的技术支持应用开发初步采用ZigBee技术的条件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没有充足的电源支持，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低速无线设备TVVCRDVDCD鼠标键盘操作杆保安HVAC照明门禁玩具游戏器具监视诊断传感器工业、农业和商业消费电子个人健康监护监视传感器自动化控制玩具和游戏家庭自动化PC机的外围设备ZigBee适应的应用场合ZigBee技术的主要应用领域消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域ZigBee技术的应用前景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：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。传感器可能收集包括土壤湿度、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网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。ZigBee技术的应用前景在家庭和楼宇自动化领域：家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。未来的家庭将会有50~100个支持ZigBee的芯片被安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械中，为实现远程控制服务。在医学领域：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，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。在消费和家用自动化市场：可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、PC外设（键盘和鼠标等）、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其它家用电器等。近年来，由于无线技术的灵活性和易用性，无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要。Chipcon等公司已经看到了巨大的市场需求，正在开发新产品以增强消费电子产品的性能。ZigBee技术的应用前景在道路指示、方便安全行路方面：如果沿着街道、高速公路及其它地方分布式地装有大量路标或其它简单装置，你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的装置会告诉你，你现在所处的位置、正向何处去。虽然从全球定位系统（GPS）也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统会向你提供更精确、更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。事实上，你从这个新系统能够得到比GPS多得多的信息，如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，还可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于这样的新系统还可以开发出许多其它功能，例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。当然，应用这一系统的关键问题在于成本、功耗和安全性等方面，而这正是802.15.4要解决的问题。Chipcon的Chiu说：“ZigBee的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高可靠及高安全等特性。许多应用现在已经能够在不使用电缆的情况下进入家庭和建筑当中，将来还可通过远程控制(甚至可以是手机)来实现对楼宇自动化设备的管理。”楼宇自动化与家庭应用的模式十分类似，ZigBee在其中的应用能带来降低运营成本、增强用户体验的好处。例如，酒店里到处都有空调供暖(HVAC)设备，如果在每台空调设备上都加上一个ZigBee节点，就能对这些空调系统进行实时控制，所节省的能源成本可迅速抵消安装ZigBee的投资成本。同时，ZigBee网络还可在烟雾探测器和其它系统间进行信号路由。因此发生火灾时，某一个烟雾传感器的报警会触发整个楼宇内其它烟雾传感器的报警，