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一种新的无线网络通信技术Zigbee
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引言
对于嵌入式系统应用，往往需要相互间的通信，以交换测量数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接，包括点对点或总线方式，如RS485、 CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展，在一些不便于或需要消除有线连接的场合，无线通信技术便有了它的用武之地。
目前，市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的RF芯片产品，如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon)，工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式应用也采用了这类技术，但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道，没有标准规范（或采用自己的专用标准）来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议，不具备兼容性；对通信的控制软件完全依赖目标系统设计，由用户自己完成，不仅额外增加了工作量，而且编制代码的可靠性、效率都较低，对组网应用更可能存在问题；不同厂家的产品不具备互操作能力，不具有通用性。
Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短，2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用；但是，它的上升势头十分明显，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通过了 Zigbee联盟对其产品所作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会迅速得到普及和高速发展。
1 Zigbee技术及应用
1.1 主要技术特点
Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。
Zigbee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4（无线个人区域网）协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由Zigbee联盟进行了制定，整个协议架构如图1所示。
图1 Zigbee协议栈架构
Zigbee是以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状网络，因此，每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，称为精简功能设备；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备(也称为协调器)，如图2所示。
图2 片状结构的Zigbee网络
Zigbee的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面：
① 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
② 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且Zigbee免协议专利费。
③ 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④ 近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤ 短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。
⑥ 高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。
⑦ 高安全。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
1.2 Zigbee产品应用
Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是Zigbee应用极具优势的地方：
① 需要无线通信交换信息的低成本装置；
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、128 KB闪存、8 KB RAM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。
图3 CC2430 Zigbee芯片
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2.45 GHz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 250 kbps，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IPLink 1200 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IEEE 802.11b标准，使用2.4 GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11 Mbps，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3~10 m，最高速率在480 Mbps，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5~10 m，速率甚至可高达1 Gbps，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70 Mbps，信号传输半径可达到50 km。图4是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。
图4 几种无线通信技术速率和距离比较
从图4中看，主要的无线技术都集中在1 Mbps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。
对于嵌入式系统应用，往往需要相互间的通信，以交换测量数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接，包括点对点或总线方式，如RS485、 CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展，在一些不便于或需要消除有线连接的场合，无线通信技术便有了它的用武之地。
目前，市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的RF芯片产品，如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon)，工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式应用也采用了这类技术，但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道，没有标准规范（或采用自己的专用标准）来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议，不具备兼容性；对通信的控制软件完全依赖目标系统设计，由用户自己完成，不仅额外增加了工作量，而且编制代码的可靠性、效率都较低，对组网应用更可能存在问题；不同厂家的产品不具备互操作能力，不具有通用性。
Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的时间较短，2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用；但是，它的上升势头十分明显，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通过了 Zigbee联盟对其产品所作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会迅速得到普及和高速发展。
1 Zigbee技术及应用
1.1 主要技术特点
Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。
Zigbee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4（无线个人区域网）协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由Zigbee联盟进行了制定，整个协议架构如图1所示。
图1 Zigbee协议栈架构
Zigbee是以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状网络，因此，每个节点的功能并非都相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，称为精简功能设备；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备(也称为协调器)，如图2所示。
图2 片状结构的Zigbee网络
Zigbee的特点突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下几个方面：
① 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
② 低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且Zigbee免协议专利费。
③ 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
④ 近距离。传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
⑤ 短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。
⑥ 高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。
⑦ 高安全。Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑧ 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
1.2 Zigbee产品应用
Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是Zigbee应用极具优势的地方：
① 需要无线通信交换信息的低成本装置；
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、128 KB闪存、8 KB RAM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。
图3 CC2430 Zigbee芯片
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2.45 GHz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 250 kbps，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IPLink 1200 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IEEE 802.11b标准，使用2.4 GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11 Mbps，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3~10 m，最高速率在480 Mbps，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5~10 m，速率甚至可高达1 Gbps，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70 Mbps，信号传输半径可达到50 km。图4是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。
图4 几种无线通信技术速率和距离比较
从图4中看，主要的无线技术都集中在1 Mbps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。
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