一文讀懂ZigBee無線通信技術

文 | 傳感器技術

當今世界通信技術迅猛發展，隨著Internet的迅速發展和個人對數據通信需求的快速增長，全球通信產業技術的發展呈現三大趨勢：無線化、寬帶化和IP化。互聯網業務的發展推動了市場對寬帶網絡的需求，寬帶用戶數量在全球呈現出非常強勢的增長態勢。在眾多的寬帶技術中，無線技術尤其是移動通信技術成為近年來通信技術市場的最大亮點，是構成未來通信技術的重要組成部分。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數據速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。

在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍牙，在藍牙技術的使用過程中，人們發現藍牙技術盡管有許多優點，但仍存在許多缺陷。對工業，家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等，而工業自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對于工業現場，這種無線數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此，經過人們的長期努力， Zigbee協議在2003年于美國正式問世了。

Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產業巨頭發起的“ Homerflite”技術

2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標準， Zigbee聯盟成立于2001年8月

2002年下半年，英國 vensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯盟”，以研發名為“ Zigbee”的下一代無線通信標準，這事件成為該項技術發展過程中的里程碑。

2004年12月 Zigbee10標準(又稱為 Zigbee2004)敲定，這使得 Zigbee有了自己的發展基本標準。

2005年9月公布 Zig bee1.0標準并提供下載。在這一年里，華為技術有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯盟。但是基于該版本的應用很少，與后面的版本也不兼容。

2006年12月進行標準修訂，推出 Zigbee1.1版(又稱為 Zigbee2006)。該協議雖然命名為 Zigbee1.1，但是與 Zigbee10版是不兼容的

2007年10月完成再次修訂(稱為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本，并且加入了 Zibgeepro部分，此時 Zig beel聯盟更加專注于以下三個方面：家庭自動化、建筑商業大樓自動化、先進抄表基礎建設。

ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信;每個網絡節點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個ZigBee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。例如，你可以通過互聯網在北京監控云南某地的一個ZigBee控制網絡。

ZigBee網絡主要是為自動化控制數據傳輸而建立，而移動通信網主要是為語音通信而建立;每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個ZigBee 網絡節點不僅本身可以與監控對對象，例如傳感器連接直接進行數據采集和監控，它還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料; 除此之外，每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

每個ZigBee網絡節點(FFD和RFD)可以可支持多到31個的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備終可以有8種不同的接口方式。可以采集和傳輸數字量和模擬量。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

自從馬可尼發明無線電以來，無線通信技術一直向著不斷提高數據速率和傳輸距離的方向發展。例如：廣域網范圍內的第三代移動通信網絡(3G)目的在于提供多媒體無線服務，局域網范圍內的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數據速率。而ZigBee技術則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。

這種無線通信技術具有如下特點：

功耗低

工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節點處于休眠模式。設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。由于工作時間較短、收發信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節點非常省電，ZigBee節點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應用場合，ZigBee技術在協議上對電池使用也作了優化。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間)之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。

數據傳輸可靠

ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性。同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和休眠狀態激活的時延都非常短。

網絡容量大

ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作，分別為：個域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。一個ZigBee的網絡最多包括有255個ZigBee網路節點，其中一個是主控(Master)設備，其余則是從屬(Slave)設備。若是通過網絡協調器(Network Coordinator)，整個網絡最多可以支持超過64000個ZigBee網路節點，再加上各個Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網絡節點的數目將十分可觀。

兼容性

ZigBee技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器(Coordinator)自動建立網絡，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA-CA)方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

安全性

Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數據。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱密碼。AES可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

實現成本低

模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協議免專利費用。目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元。而ZigBee的價格目標僅為幾美分。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

時延短

通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

相同點：

1、二者都是短距離的無線通信技術;

2、都是使用2.4GHz頻段

3、都是采用DSSS技術;

不同點：

1、傳輸速度不同。 ZigBee的傳輸速度不高(<250Kbps)，但是功耗很低，使用電池供電一般能用3個月以上; WiFi，就是常說的無線局域網，速率大(11Mbps)，功耗也大，一般外接電源;

2、應用場合不同。 ZigBee用于低速率、低功耗場合，比如無線傳感器網絡，適用于工業控制、環境監測、智能家居控制等領域。 WiFi，一般是用于覆蓋一定范圍(如1棟樓)的無線網絡技術(覆蓋范圍100米左右)。表現形式就是我們常用的無線路由器。在一棟樓內布設1個無線路由器，樓內的筆記本電腦(帶無線網卡)，基本都可以無線上網了。

3、市場現狀不同。ZigBee作為一種新興技術，自04年發布第一個版本的標準以來，正處在高速發展和推廣當中;目前因為成本、可靠性方面的原因，還沒有大規模推廣; WiFi，技術成熟很多，應用也很多了。 總體上說，二者的區別較大，市場定位不同，相互之間的競爭不是很大。只不過二者在技術上有共同點，二者的相互干擾還是比較大的，尤其是WiFi對于ZigBee的干擾。

二者硬件內存需求對比：ZigBee：32~64KB+;WiFi：1MB+;ZigBee硬件需求低。

二者電池供電上電可持續時間對比：ZigBee：100~1000天;WiFi：1~5天;ZigBee功耗低。 傳輸距離對比(一般用法，無大功率天線發射裝置)：ZigBee：1~1000M;WiFi：1~100M;ZigBee傳輸距離長。 ZigBee劣勢： 網絡帶寬對比：ZigBee：20~250KB/s;WiFi：11000KB/s;ZigBee帶寬低，傳輸慢。

作為一種低速率的短距離無線通信技術，ZigBee有其自身的特點，因此有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術重疊。ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業控制、自動抄表、醫療監護、傳感器網絡應用和電信應用。

智能家居

家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點對點的控制，但如果使用了ZigBee技術，可以把這些電子電器設備都聯系起來，組成一個網絡，甚至可以通過網關連接到Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。

工業控制

工廠環境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網絡進行監控，加強作業管理，降低成本。

自動抄表

抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個月或每個季度可能都要統計一下讀數，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據讀數來收費。現在在大多數地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用于這個領域，利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號，通過ZigBee網絡把讀數直接發送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發送給用戶，或者和節能相結合，當發現能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。

醫療監護

電子醫療監護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監測健康狀況，還有在人體周圍環境放置一些監視器和報警器，如在病房環境，這樣可以隨時對人的身體狀況進行監測，一旦發生問題，可以及時做出反應，比如通知醫院的值班人員。這些傳感器、監視器和報警器，可以通過ZigBee技術組成一個監測的網絡，由于是無線技術，傳感器之間不需要有線連接，被監護的人也可以比較自由的行動，非常方便。

傳感器網絡應用

傳感器網絡也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建筑物監測、環境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網絡要求節點低成本、低功耗，并且能夠自動組網、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面的優勢使得它成為傳感器網絡應用的一個很好的技術選擇。

電信應用

在2006年初的時候，意大利電信就宣布她研發了一種集成了ZigBee技術的SIM卡，并命名為“ZSIM”[5]。其實這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯盟也在2007年4月發布新聞，說聯盟的成員在開發電信相關的應用[6]。如果ZigBee技術真得可以在電信領域開展起來，那么將來用戶就可以利用手機來進行移動支付，并且在熱點地區可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶也可以通過定位服務獲知自己的位置。雖然現在的GPS定位服務已經做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。

盡管 Zigbee技術在2004年，就被列為當今世界發展最快，最具市場前景的十大新技術之一;關于Zigbee技術的優點，大家也進行了許多討論，到目前為止，國內外許多廠商也都開發生產了各種各樣的 Zigbee產品，并在應用推廣上做了大量的工作，然而，實事求是的講，真正完全使用Zigbee技術來解決具體實際問題，有意義的案例則非常有限。

Zigbee似乎成了一種時髦，但眼下還不能做到真正實用的新技術。就其原因，除了作為一種新技術，它本身需要有一個技術改進和成熟，以及市場培育的過程外，我們在長期應用Zigbee技術來解決實際問題的實踐中，還發現如下幾個十分重要，而在短期內我們認為十分難以解決的問題：

1、Zigbee的核心技術之一，是動態組網和動態路由，即Zigbee網絡考慮了網絡中的節點增減變化，網絡中的每個節點相隔一定時間，需要通過無線信號交流的方式重新組網，并在每一次將信息從一個節點發送到另一個節點時，需要掃描各種可能的路徑，從最短的路經嘗試起，這就涉及到無線網絡的管理問題。而這些，都需要占用大量的帶寬資源，并增加數據傳輸的時延。特別是隨著網絡節點數目的增加和中轉次數增多。因而，盡管Zigbee的射頻傳輸速率是250kbps, 但經過多次中轉后的實際可用速率將大大降低，同時數據傳輸時延也將大大增加，無線網絡管理也就變得越麻煩。這也就是目前Zigbee網絡在數據傳輸時的主要問題。

2、Zigbee這個字，從英語的角度來分析，它是由“Zig”和“bee”兩個字組成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路徑，后面一個英文單詞“bee”就是蜜蜂的意思，我們的理解，Zigbee網絡技術，就是模仿蜜蜂信息傳遞的方式，通過網絡節點之間信息的相互互傳，來將一個信息從一個節點傳輸到遠處的另外一個節點。如果按一般標準Zigbee節點，在開闊空間每次數據中轉平均增加50米直線傳輸距離計算，傳輸500米直線距離需要中轉十次;在室內，由于Zigbee所使用的2.4 G的傳輸頻率，一般是通過信號反射來進行傳輸的，由于建筑物的遮擋，要傳輸一定的距離，往往需要使用較多的網絡節點來進行數據中轉，如上述第一條中的分析，這對一個Zigbee網絡來講，并不是一件簡單的事情。當然，我們也可使用放大器來增加Zigbee網絡節點的傳輸距離，然而，這必然要大大增加網絡節點的功耗和成本，失去了Zigbee低成本低功耗的本來目的。而且，在室內使用這種方法來增加傳輸距離，效果也有限。顯然，一種通過中心點在室外，終端模塊在室外的星狀網網絡通信結構個更加合理。

3、Zigbee的核心技術之一，是每一個網絡節點，除了自身作為信息采集點和執行來自中心的命令外，它還承擔著隨時來自網絡的數據中轉任務，這樣，網絡節點的收發機必須隨時處于收發接收狀態，這就是說它的最低功耗至少在20mA左右，一般使用放大器的遠距離網絡節點，其耗電量一般在150mA左右。這顯然很難使用電池驅動來保證網絡節點的正常工作;

4、由于Zigbee中的每一個節點，都參與自動組網和動態路由的工作，因而每個網絡節點的單片機也就相對復雜一些，成本自然也就高一些。另外，在Zigbee網絡的基礎上進行一些針對具體應用的開發工作的量也就大一些。

綜上所述，我們認為，Zigbee網絡，實際上在許多情況下，是犧牲了網絡傳輸效率，帶寬以及節點模塊的功耗，來換取在許多實際應用中，并不重要的動態組網和動態路由的功能，因為，在一般情況下，我們的網絡節點和數據傳輸途徑往往都是固定不變的。因此，當前Zigbee技術尚未解決的節點耗電問題，網絡數據傳輸的效率較低時延較長的問題，以及數據傳輸距離有限的問題，是當前Zigbee 技術難于得到很好推廣的根本原因。