面向低速率应用的全球标准ZigBee (上)

摘要：无线组网技术的低速率应用更贴近我们的生活，相关的技术标准802.15.4又称ZigBee与IEEE的其他短距离无线技术，如蓝牙、WiFi、UWB互为补充，它的主要特点是低速率、低功耗、低成本、自配置和拓扑灵活。预计ZigBee芯片将像微处理器一样无处不在。

        过去若干年以来，无线组网技术发展迅速。但迄今为止，无线组网技术的应用主要集中在高速率和相对长距离方面；研究重点始终放在提高数据速率上，高了还要更高。例如，IEEE802.11标准的发展目标始终是提高数据速率，从802.11～2Mbit/s到802.11a和802.11g的54Mbit/s(见图1)，而低速率应用一直谈论得较少，但这并不说明低速率应用不重要。事实上，低速率应用比高速率应用更贴近我们的日常生活。本文所要介绍的802.15.4标准就是IEEE802.15工作组为低速率应用专门设计的一种无线组网技术。预期随着802.15.4标准的颁布以及其他相关技术的发展，低速率应用将兴旺起来，在我们的生活中扮演越来越重要的角色。


          图1 无线组网技术标准

一、低速率应用场景

        有了802.15.4这一新标准，我们可以在各个方面开展许多新的应用。例如，家庭、工厂、仓库的自动化控制；对安全、保健、环境等的监视；通过情况感知和物资精确定位(PAL)对军事行动、消防队员操作进行指挥，对货单进行自动更新，对库存进行实时跟踪；以及游戏和互动式玩具等娱乐应用。

        为了进一步说明802.15.4将来会如何影响我们的生活，下面描述几个可能的应用场景。

１． 挽救生命

        人类始终面临着各种威胁生命的因素。科学技术一方面大大提高了我们的生活质量，但另一方面也加大了我们面临的危险。不管你如何小心，总有忘记关煤气炉或者睡前忘锁门的时候。这一疏忽轻则叫你破费，重则危及生命。我们每天都要喝水，在任何时间都要呼吸空气，如果不小心或者有人存心捣乱，水和空气也会使我们受到污染，甚至中毒。还有许多其他威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等。所以，人类一直在构建挽救生命的系统，但目前已有的许多系统实际上是无效的，有些太复杂、太昂贵，难以普及；有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系统最关键的联网能力。由于具备连接简单器件(如传感器和激活器等)的能力，802.15.4系统能监视各种事件，当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准，802.15.4很有希望应用于上述各种情况。

２． 家庭自动化

        为了把人们从日常琐事中解放出来，家庭自动化是802.15.4最有吸引力的一种应用。有了802.15.4之后，尽管你家里的器具来自不同厂家，但它们都能彼此沟通和合作。你可以如此配置你的家庭网络：当你打开电视机时，灯光自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机自动静音。利用802.15.4还可以做更多的事。例如，你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓(它可能是一个小小的符合802.15.4标准的器件)，其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐、电视节目和网站都将自动按照你的喜好自动设置。如果把你的私人轮廓放在你的口袋里，你还可以把自动化带到室外或你的办公室里。为了让你的轮廓达到上述效果，你并不需要完成复杂的配置，因为你的轮廓可以通过自学程序自动构成。

３．方便安全地行路

        如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量路标或其他简单设备，你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的器件将告诉你，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能够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他功能，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。应用这一系统的关键问题包括成本、功耗和安全性，这正是802.15.4要解决的问题。

二、802.15标准简介

        在介绍802.15.4之前，先简要介绍一下IEEE802.15工作组正在定义的几种不同的短距离无线技术。短距离无线技术原本是为支持个人域网(PAN)而开发的，但是它们的潜力远远不止于此。 

        802.15.1本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本，大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组(SIG)在做，其成果将由IEEE批准。原始的802.15.1标准基于蓝牙1.1，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本802.15.1a将对应于蓝牙1.2，它包括某些QoS增强功能，完全后向兼容。蓝牙是第一个面向低速率应用的标准，但是它的市场情况不太理想，其原因之一是受WiFi(802.11b) 的冲击，WiFi产品的价格大幅度下降在某些应用方面抑制了蓝牙的优势。另一个原因是蓝牙为了覆盖更多的应用和提供QoS使其偏离了原来设计简单的目标，复杂使蓝牙变得昂贵，不再适合那些要求低功率、低成本的简单应用。另外它还存在可扩展性方面的问题。 

      802.15.2是对蓝牙和802.15.1的一些改变，其目的是减轻与802.11b和802.11g网络的干扰。这些网络都使用2.4GHz频段，如果想同时使用蓝牙和WiFi的话，就需要使用802.15.2或其他专有方案。 
 
        802.15.3也称WiMedia，旨在实现高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于使用802.15.3a(见图1)，它使用超宽带(UWB)的多频段OFDM联盟(MBOA)的物理层，速率高达480Mbit/s。打算生产802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。
 
        802.15.4也称ZigBee，属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗(长电池寿命)、低成本和低速率。速率可以低至9.6kbit/s，不支持话音。 

        802.15.5还在制订之中。其最终目标是使网状网能够在媒体接入控制层形成，不再需要ZigBee或IP选路。
第6种现在尚未正式列入802.15标准，它将包括基于太赫兹辐射(即T射线)的无线网。T射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几个Gbit/s的速率。

三、802.15.4