| 要 點(diǎn)
ZigBee是一種低功耗、較低速的無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù),主要面向傳感器。
ZigBee并不打算為所有人解決所有問題,因而獲得了熱情接受。
堿性電池將用于為大多數(shù)ZigBee設(shè)備供電。但是,從環(huán)境中獲取少量能源的能量采集技術(shù)（如從光照和振動(dòng)中采集能量）為某些ZigBee應(yīng)用提供了省去電池的希望。
ZigBee將緩慢而穩(wěn)定地進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。保守的做法比較有把握,因?yàn)轵?yàn)證低速協(xié)議的可靠性需要時(shí)間。
有了合適的協(xié)議以后（如ZigBee）,無(wú)需經(jīng)常與外界交流的傳感器就不會(huì)消耗過多能量。有時(shí),一節(jié)堿性電池就可以為它們提供長(zhǎng)達(dá)十年的能量。
ZigBee 聯(lián)盟（一個(gè)致力于推動(dòng) ZigBee WPAN ‘無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)’技術(shù)的業(yè)界組織）的人們說,他們從其它同類技術(shù)（如藍(lán)牙技術(shù)）的失誤中學(xué)到了很多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。藍(lán)牙現(xiàn)在已經(jīng)很完備,即將踏上長(zhǎng)途征程,至少在用于手機(jī)和便攜式娛樂設(shè)備的狹窄目標(biāo)市場(chǎng)上是這樣。但是,其支持者的早期不幸?guī)缀跏乖摌?biāo)準(zhǔn)覆滅擱淺,因而使其仍處于建造階段,并且某種程度上顯然延遲了它的廣泛應(yīng)用。教訓(xùn)是：在無(wú)線領(lǐng)域中,試圖為所有人做所有事幾乎肯定要失敗。
ZigBee的創(chuàng)建者將其建立在IEEE 802.15.4無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)上,其名稱來(lái)源于蜜蜂用于交流地點(diǎn)和蜜源距離的之字形“舞蹈”。這是一種了解位置的技術(shù)。它將傳感器作為對(duì)象,但不是對(duì)所有傳感器,而只是那些傳送數(shù)據(jù)每秒不超過一次的低速器件。這樣做的原因有幾點(diǎn)：即使傳感器是無(wú)線的,也無(wú)法擺脫電源連線的束縛。因此,至少開始時(shí),大多數(shù) ZigBee 傳感器是電池供電的。大多數(shù)傳感器都很小,這表明電池供電部分也不能太大。因此,電池需要小型,而小型電池存儲(chǔ)的電能有限。
為實(shí)現(xiàn)可以接受的電池壽命,傳感器及其通信電路就必須節(jié)約使用電能。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最直接方法是減小占空比,此時(shí),占空比表示某個(gè)器件工作時(shí)間的百分比。當(dāng)不通信時(shí),器件處于低功耗的睡眠模式。大多數(shù)傳感器在2.4 GHz~2.48 GHz頻段下,用250 kbps的802.15.4數(shù)據(jù)速率傳送信息的時(shí)間只持續(xù)幾毫秒。而在 902 MHz~928 MHz和868 MHz~870 MHz時(shí),數(shù)據(jù)速率分別為40 kbps 和20 kbps。由于從睡眠模式到數(shù)據(jù)傳送模式的轉(zhuǎn)換需要花15毫秒左右,因此平均來(lái)說,一只傳感器在2.4 GHz 頻段上每秒發(fā)一條信息的占空比一般是2%或小于2%,而在868 MHz和 915 MHz頻段上略高些。很多傳感器發(fā)送的信息通常要小得多。對(duì)這些傳感器來(lái)說,占空比非常低,以至于電池壽命基本上相當(dāng)于電池的儲(chǔ)藏壽命：如堿性電池可以長(zhǎng)達(dá) 10 年。
扎實(shí)的理論基礎(chǔ)
為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的理論有很多,遠(yuǎn)不是“現(xiàn)在所有東西都在轉(zhuǎn)向無(wú)線,傳感器當(dāng)然也不例外”這么簡(jiǎn)單。很多應(yīng)用中有大量傳感器。在這種情況下,傳感器的安裝與連接費(fèi)用可以大大超出傳感器自身的成本。ZigBee并不能解決所有問題,例如分布傳感器并將其固定在各個(gè)安裝點(diǎn),因此,即使用了無(wú)線傳感器,仍少不了這部分安裝費(fèi)。
ZigBee針對(duì)的應(yīng)用范圍很寬,如建筑自動(dòng)化、工業(yè)、醫(yī)療和住宅控制與監(jiān)控。能從ZigBee獲得好處的包括需要IEEE 802.15.4互操作性、RF特性的應(yīng)用。例如：照明控制;遠(yuǎn)程電、氣、水表讀數(shù);無(wú)線煙感和二氧化碳檢測(cè)器;HVAC（供暖、通風(fēng)和空調(diào)）以及環(huán)境控制;家居安全、侵入與運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器;百葉窗、帳幔和遮光簾控制;醫(yī)療檢測(cè)與監(jiān)控;帶家庭控制功能的機(jī)頂盒通用遠(yuǎn)程控制;以及工業(yè)和建筑自動(dòng)化等。第一款ZigBee產(chǎn)品適宜家居控制、安全保障應(yīng)用,會(huì)在年中出現(xiàn)在商店貨架上。這些產(chǎn)品的包裝上將明顯標(biāo)有ZigBee標(biāo)志（圖1）。 
ZigBee規(guī)范覆蓋了802.15.4 PHY（物理）和MAC（介質(zhì)訪問控制）層之上的網(wǎng)絡(luò)層、安全層、應(yīng)用架構(gòu)層和應(yīng)用外觀層（圖2）。802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz版本用于全球免許可頻段。它指定采用半正弦脈沖形狀的O-QPSK（偏移正交相移鍵控）調(diào)制,它相當(dāng)于 MSK（最小頻移鍵控）。每個(gè)符號(hào)承載2位、通道間隔為5MHz,最多可以有16個(gè)通道。盡管設(shè)備不會(huì)在各個(gè)通道間作跳頻,但通過選擇通道一般就可以做到優(yōu)化接收。為減小連網(wǎng)設(shè)備（以及與其它技術(shù)）之間的干擾,增加數(shù)據(jù)安全性,2.4 GHz版本還使用了2M 芯片/秒的DSSS（直接序列擴(kuò)頻）編碼。低于1 GHz版本使用具有根生（root-raised）余弦脈沖成形的BPSK（雙極相移鍵控）調(diào)制,在915 MHz 版本中,采用2 MHz 頻道間隔。（868 MHz頻段只有一個(gè)通道的空間。）BPSK每個(gè)符號(hào)只傳輸1位。在868 MHz（大部分歐洲地區(qū)使用）
以及 915 MHz（西半球加澳大利亞）版本中,數(shù)據(jù)速率分別為20kbps和40 kbps,DSS芯片速率為300k和600k 芯片/秒。 
在所有三個(gè)頻段中,802.15.4 MAC層都使用CSMA/CA（載波偵聽多路訪問/防碰撞）,與以太網(wǎng)使用的機(jī)制基本上相同。從睡眠模式蘇醒過來(lái)的一個(gè)設(shè)備準(zhǔn)備傳送數(shù)據(jù)時(shí),先要聆聽通道上的活動(dòng)情況。如果檢測(cè)到有活動(dòng),則它回到睡眠狀態(tài)一個(gè)隨機(jī)間隔后,再醒來(lái)聆聽活動(dòng)。如果它沒有聽到活動(dòng),則發(fā)送它的信息。當(dāng)然,兩個(gè)以上的設(shè)備可以同時(shí)聆聽,以準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)。其中一些可能會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為通道上是安靜的,于是同時(shí)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。
消息傳送/通過
按照Z(yǔ)igBee聯(lián)盟成員的說法,由于采用DSSS編碼,在干擾條件下成功發(fā)送信息的機(jī)會(huì)還是相當(dāng)好的。但是,如果發(fā)送方?jīng)]有收到回應(yīng),則它會(huì)退回睡眠狀態(tài)一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后,再次嘗試發(fā)送信息。
CSMA/CA有一個(gè)明顯的問題,即不確定的延遲。也就是說,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師無(wú)法確定某一條信息要花多長(zhǎng)時(shí)間才能到達(dá)原定的接收者。但是,正如以太網(wǎng)數(shù)十年前已證明的,當(dāng)時(shí)它的速度要比今天慢得多,但在很多一般應(yīng)用中工作得很好。另外,等待響應(yīng)的時(shí)間越長(zhǎng),系統(tǒng)滿足需求的可能性越大。
但是,對(duì)于那些必須要確定延遲的人,IEEE標(biāo)準(zhǔn)另外提供了兩種方法,共同保證延遲在一個(gè)嚴(yán)格的容限內(nèi)。信標(biāo)是一些特殊的信息,在某些 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲性试S使用。信標(biāo)會(huì)喚醒客戶端設(shè)備,這些設(shè)備聆聽它們的地址,如果它們沒有收到則返回睡眠狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備必須聆聽信標(biāo)時(shí),可以確定時(shí)間間隔,它是15.38 ms到最大252s的倍數(shù)。信標(biāo)可以發(fā)布一個(gè)超級(jí)幀,這是另一個(gè)特殊信息,它在信標(biāo)之間提供16個(gè)時(shí)隙。在這些時(shí)隙期間,目標(biāo)設(shè)備可以擁有無(wú)競(jìng)爭(zhēng)的網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)。
ZigBee聯(lián)盟的口號(hào)或定位是“Wireless control that just works”（剛剛好的無(wú)線控制）。對(duì)于其早期的所有應(yīng)用來(lái)說,ZigBee忠實(shí)地實(shí)踐了這一口號(hào),但它花了大量工作和技術(shù)來(lái)使無(wú)線控制“工作”起來(lái)。
ZigBee規(guī)范的1.0版（參考文獻(xiàn)1）有426頁(yè),PDF文件就有8M字節(jié),可以從聯(lián)盟的網(wǎng)站上免費(fèi)下載。另外,該規(guī)范并不處理 5 M 字節(jié)、679 頁(yè) IEEE 802.15.4-2003 標(biāo)準(zhǔn)所覆蓋的 PHY 和 MAC 問題（參考文獻(xiàn) 2）。換句話說,雖然 ZigBee 是一個(gè)備受矚目的低功耗、較低速度的協(xié)議,但它的開發(fā)者卻為它付出了相當(dāng)多的努力,以確保用戶不會(huì)手忙腳亂或遭受煩惱。
無(wú)線通信協(xié)議有一個(gè)困擾所有潛在用戶的問題,這就是數(shù)據(jù)安全性。雖然你可能關(guān)心的是屋外一個(gè)侵入者對(duì)你的損害程度,例如他是否試圖找到甚至更改你樓下的調(diào)溫器設(shè)置,但在工業(yè)和商務(wù)應(yīng)用中,這種危害會(huì)更高。即使是在家庭中,侵入者也不會(huì)費(fèi)力做一些像凍住水管這類惡作劇。ZigBee 的 DSSS 編碼提供第一層安全性,但 ZigBee 還使用了一種安全工具箱方法,保證網(wǎng)絡(luò)的可靠與安全。例如,訪問控制列表、包刷新定時(shí)器和基于 NIST（國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)院）認(rèn)證先進(jìn)加密標(biāo)準(zhǔn)的 128 位加密算法等,它們共同保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸以及 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自身的安全。
ZigBee的技術(shù)基礎(chǔ)
ZigBee規(guī)范的基礎(chǔ)是簡(jiǎn)介表,一個(gè)實(shí)例是家居照明控制。初始版可以允許六種類型的一系列設(shè)備交換控制信息,從而構(gòu)成一個(gè)無(wú)線家居自動(dòng)化應(yīng)用。這些設(shè)備互相交換共享的信息,實(shí)現(xiàn)有效的控制,如開燈或關(guān)燈、將燈光傳感器測(cè)量值發(fā)送給照明控制器,或當(dāng)入侵傳感器檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)情況時(shí)發(fā)送一個(gè)警告信息。另一個(gè)例子是定義所有 ZigBee 設(shè)備動(dòng)作的設(shè)備簡(jiǎn)介表。例如,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)依靠自主設(shè)備的能力加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò),并發(fā)現(xiàn)它提供的其它連網(wǎng)設(shè)備和服務(wù)。 該設(shè)備簡(jiǎn)介表支持設(shè)備與服務(wù)的發(fā)現(xiàn)。
ZigBee 規(guī)范還允許設(shè)備制造商建立專有的簡(jiǎn)介表 ,以實(shí)現(xiàn)其它制造商產(chǎn)品中沒有的功能。但是,該聯(lián)盟認(rèn)為,這種專有功能不應(yīng)妨礙不同制造商設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的共同運(yùn)行。就是說,即使其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備缺乏實(shí)現(xiàn)這些專有設(shè)備獨(dú)具的能力,實(shí)現(xiàn)專有簡(jiǎn)介表的設(shè)備也應(yīng)能完成它們的基本功能。
一個(gè) ZigBee 設(shè)備的平臺(tái)部分實(shí)現(xiàn)了 RF通信 和基帶通信功能。雖然多芯片 ZigBee 平臺(tái)現(xiàn)在很普遍,但預(yù)計(jì)不久的將來(lái),最常用的平臺(tái)配置是使用一個(gè)芯片,即不是在所有平臺(tái)上用相同的設(shè)計(jì),而是幾家供應(yīng)商中任何一家的單個(gè)芯片（圖 3）。不同制造商的平臺(tái)芯片在細(xì)節(jié)上有差異,主要是看使用 2.4 GHz 還是 868/915 MHz 頻段,在量產(chǎn)情況下芯片的預(yù)期成本約 5 美元。盡管有這些差異,但這些 IC 都能完成與 ZigBee 相關(guān)的所有功能,特殊應(yīng)用除外。除了 RF 功能以外,這些芯片還包含一個(gè)處理器和足夠容量的非易失性可擦寫存儲(chǔ)器（即閃存）,用 |
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