引言

對于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，往往需要相互間的通信，以交換測量數(shù)據(jù)和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包括點對點或總線方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術(shù)便有了它的用武之地。

目前，市場上已有多家公司推出應(yīng)用于近距離通信的RF芯片產(chǎn)品，如工作在2.4GHz的nRF24E1（Nordic）、CC1020/2500（Chipcon），工作在300～450MHz的MAX7044/7033（Maxim）等。不少嵌入式應(yīng)用也采用了這類技術(shù)，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（或采用自己的專用標(biāo)準(zhǔn)）來制定MAC層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計，由用戶自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網(wǎng)應(yīng)用更可能存在問題；不同廠家的產(chǎn)品不具備互操作能力，不具有通用性。

Zigbee是一種近年來才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由Zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、 CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯(lián)盟對其產(chǎn)品所做的測試和兼容性驗證。預(yù)計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產(chǎn)品和應(yīng)用會迅速得到普及和高速發(fā)展。

1 Zigbee技術(shù)及應(yīng)用

1.1 主要技術(shù)特點

Zigbee一詞源自蜂蜜群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專著于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、亦包含寓意。

Zigbee技術(shù)并不是完全獨有、全新的標(biāo)準(zhǔn)。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，但在此基礎(chǔ)上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會聚層和高層應(yīng)用規(guī)范（API）由Zigbee聯(lián)盟進行了制定，整個協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。

Zigbee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此、每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設(shè)備；而另外還有一些節(jié)點，負責(zé)與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備（也稱為協(xié)調(diào)器），如圖2所示。

Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：

①低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3Km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

⑤短時延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能，相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3S。

⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理；最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES－128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段。2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。

1.2 Zigbee產(chǎn)品應(yīng)用

Zigbee主要應(yīng)用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設(shè)想，它的應(yīng)用目標(biāo)主要是：工業(yè)控制（如自動控制設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)），醫(yī)護（如監(jiān)視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警）消費類電子設(shè)備的遙控裝置，PC外設(shè)的無線連接等領(lǐng)域。

一般而言，滿足如下一些特點的應(yīng)用場合，是Zigbee應(yīng)用極具優(yōu)勢的地方：

①需要無線通信交換信息的低成本裝置；
②數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?
③功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；
④需要多個（尤其是大量）設(shè)備組成無線通信網(wǎng)絡(luò)，主要進行監(jiān)測和控制的場合。

依據(jù)Zigbee的聯(lián)盟和參與聯(lián)盟的主要廠商的基本設(shè)想，產(chǎn)品應(yīng)提供一站式的解決方案，以方便應(yīng)用，使那些不熟悉RF技術(shù)的人員也能迅速上手。因此其產(chǎn)品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內(nèi)置的協(xié)議棧將Zigbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作已完全由產(chǎn)品實現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標(biāo)準(zhǔn)接口進行應(yīng)用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡化，完成Zigbee協(xié)議的內(nèi)嵌處理器一般可采用低價低功耗的8位MCU。

Chipcon公司推出的高度整合的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128KB閃存、8KBRAM以及8051八位MCU核；另外還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），定時器、AES－128協(xié)同處理器、看門狗、32kHz晶振休眠定時器、上電復(fù)位和掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳；使這寬產(chǎn)品就是一個具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備等。

此外、不少廠商也推出了Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案。如Freescale公司發(fā)布的低功耗2.45GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并在一個配套的MCU上實現(xiàn)Zigbee的協(xié)議棧；傳輸速率為250kbps，采用正交QPSK調(diào)制和直接序列擴頻編碼，通過1個四線串行接口與MCU通信，Helicomm公司推出的IP－Link 1200 Zigbee開發(fā)工具和產(chǎn)品，包含符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率；支持最新的RS232－mesh透明串行模式，能在網(wǎng)狀和多次跳接（multihop）無限網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達38.4kbps。