ZigBee无线通信协议的技术支持及其应用前景（上） 点击：6062 | 回复：11
发表于：2006-07-04 13:41:00
楼主
凌志浩先生，华东理工大学自动化系教授。
关键词： 无线通信 ZigBee技术
网络和通信技术的发展，使人们对无线通信的要求越来越高，短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。目前一种新的无线通信技术引起了人们的关注，这就是所谓的“ZigBee”技术。ZigBee这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。有了ZigBee这种低速率通信技术，其所支持的应用更贴近人们的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4标准、ZigBee技术及其支持、应用前景和应用开发等方面的问题作一介绍。
一 ZigBee技术及其特征
1. ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。
IEEE 802.15.4在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种，各频段可使用的信道分别有16、10、1个，各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s之传输速率，其传输范围介于10～100M之间。由于ZigBee使用的2.4GHz、915MHz和868MHz频段是免费开放的，故已有多种无线通信技术使用，为避免被干扰，故在各个频段皆采用直接序列展频(DSSS)技术，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能。
IEEE 802.15.4在媒体存取控制(MAC)层方面，主要是沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作；若产生碰撞，则稍后重新再传。这种MAC层的设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可实现非常有效的功耗管理。
IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，而由ZigBee联盟所主导的ZigBee标准中，定义了网络层、安全层、应用层和各种应用产品的资料或行规，并对其网络层协议和API进行了标准化。
网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网(WPAN)标准不同的地方。在网络层方面，其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。在网络层中，ZigBee定义了3种角色：第一个是网络协调者，负责网络的建立，以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。在同一个WPAN上，可以存在65536个ZigBee装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息。为了在省电、复杂度、稳定性与实现难易度等因素上取得平衡，网络层采用的路由算法共有3种：以AODV算法建立随意网络的拓扑架构(Mesh Topology)；以摩托罗拉Cluster-tree算法的方法建立星状的拓扑架构(Star Topology)；以及利用广播的方式传递信息。因此，人们可根据具体应用需求，选择适合的网络架构。
为了降低系统成本，IEEE定义了两种类型的装置：全功能装置(FFD)、简化功能装置(RFD)，可构成多种网络拓扑结构。在组网方式上，ZigBee主要采用了图1所示的3种组网方式。一种为星型网，网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多可达65535个从属装置，而网络协调者必须是FFD，由它来负责管理和维护网络；另一种为簇状形网，可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络；再有一种为网状网，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。
对于应用层，主要有3个部分，与网络层连接的APS(Application Support)、ZDO(ZigBee Device Object)、以及装置应用Profile。ZigBee的应用层架构，最重要的是已涵盖了服务(Service)的观念，所谓的服务，简单来看就是功能。对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN后，应用层的ZDO会发动一系列初始化的动作，先通过APS做装置搜寻(Device Discovery)以及服务搜寻(Service Discovery)，然后根据事先定义好的描述信息(Description)，将与自己相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表(Binding Table)中，之后，所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询装置的资料或行规。而装置应用Profile则是根据不同的产品而设计出不同的描述信息(Description)、以及ZigBee各层协议的参数设定。在应用层，开发商必须决定是采用公共的应用类还是开发自己专有的类。ZigBee V1.0已经为照明应用定义了基本的公共类，并正在制定针对HVAC、工业传感器和其他传感器的应用类。任何公司都可以设计与支持公共类的产品相兼容的产品。例如，一个采用公共ZigBee照明类的荧光灯镇流器供应商可与采用相同类的第三方灯开关调光器实现互操作。开发人员可对该公共类加入他们自己的看法和感觉。ZigBee设备采用应用对象进行建模，这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其他设备的通信。
安全性一直是个人无线网络中的极其重要的话题。安全层并非单独独立的协议，ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE 802.15.4的安全元素。为了提供灵活性和支持简单器件，IEEE 802.15.4在数据传输中提供了3级安全性：第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可选择这种方式来转移数据；对于第二级安全性，器件可使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码，如ZigBee的MAC层使用了一种被称为高级加密标准(Advanced Encryption Stan-dard，AES)的算法进行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全机制，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。选择AES的原因主要是考虑到在计算能力不强的平台上实现起来较容易，目前大多数的RF芯片，都会加入AES的硬件加速电路，以加快安全机制的处理。
另外，ZigBee Alliance也负责Zig-Bee产品的互通性测试与认证规格的制定。ZigBee Alliance会定期举办ZigFest活动，让发展ZigBee产品的厂商有一个公开场合，能够互相测试互通性。而在认证部分，ZigBee Alliance共定义了3种层级的认证：第一级(Level 1)是认证PHY与 MAC，与芯片厂有最直接的关系；第二级(Level 2)是认证ZigBee Stack，所以又称为ZigBee-compliant Platform Certification；第三级(Level 3)是认证ZigBee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上ZigBee的标志，所以也称为ZigBee-Logo Certification。
2. ZigBee的特点和传输数据类型
根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列特性：
(1)功耗低、时延短、实现简单。装置可以在使用电池的驱动下，运行数月甚至数年，低功耗意味着较高的可靠性和可维护性，更适合体积小的众多应用；非电池供电的装置同样需要考虑能量的问题，因为功耗还关系着成本等一系列问题。ZigBee传输速率低，使其传输信息量亦少，所以信号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，这对省电极为有利。另外，在工作与睡眠模式之间的转换时间短，一般睡眠激活时间只有15ms，而装置搜索时间为30ms。
(2)可靠度高。ZigBee的MAC层采用碰撞避免(CSMA/CA)机制，此机制无疑能大幅提高系统信息传输的可靠度。
(3)高度扩充性。每个ZigBee网络最
关键词： 无线通信 ZigBee技术
网络和通信技术的发展，使人们对无线通信的要求越来越高，短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。目前一种新的无线通信技术引起了人们的关注，这就是所谓的“ZigBee”技术。ZigBee这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。有了ZigBee这种低速率通信技术，其所支持的应用更贴近人们的日常生活。本文主要就IEEE802.15.4标准、ZigBee技术及其支持、应用前景和应用开发等方面的问题作一介绍。
一 ZigBee技术及其特征
1. ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。
IEEE 802.15.4在物理(PHY)层设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种，各频段可使用的信道分别有16、10、1个，各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s之传输速率，其传输范围介于10～100M之间。由于ZigBee使用的2.4GHz、915MHz和868MHz频段是免费开放的，故已有多种无线通信技术使用，为避免被干扰，故在各个频段皆采用直接序列展频(DSSS)技术，以化整为零方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰，这对大部分较低端的实现来说，直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能。
IEEE 802.15.4在媒体存取控制(MAC)层方面，主要是沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作；若产生碰撞，则稍后重新再传。这种MAC层的设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可实现非常有效的功耗管理。
IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，而由ZigBee联盟所主导的ZigBee标准中，定义了网络层、安全层、应用层和各种应用产品的资料或行规，并对其网络层协议和API进行了标准化。
网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网(WPAN)标准不同的地方。在网络层方面，其主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态与自我修复功能。在网络层中，ZigBee定义了3种角色：第一个是网络协调者，负责网络的建立，以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。在同一个WPAN上，可以存在65536个ZigBee装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息。为了在省电、复杂度、稳定性与实现难易度等因素上取得平衡，网络层采用的路由算法共有3种：以AODV算法建立随意网络的拓扑架构(Mesh Topology)；以摩托罗拉Cluster-tree算法的方法建立星状的拓扑架构(Star Topology)；以及利用广播的方式传递信息。因此，人们可根据具体应用需求，选择适合的网络架构。
为了降低系统成本，IEEE定义了两种类型的装置：全功能装置(FFD)、简化功能装置(RFD)，可构成多种网络拓扑结构。在组网方式上，ZigBee主要采用了图1所示的3种组网方式。一种为星型网，网络为主从结构，一个网络有一个网络协调者和最多可达65535个从属装置，而网络协调者必须是FFD，由它来负责管理和维护网络；另一种为簇状形网，可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络；再有一种为网状网，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据AD hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。
对于应用层，主要有3个部分，与网络层连接的APS(Application Support)、ZDO(ZigBee Device Object)、以及装置应用Profile。ZigBee的应用层架构，最重要的是已涵盖了服务(Service)的观念，所谓的服务，简单来看就是功能。对于ZigBee装置而言，当加入到一个WPAN后，应用层的ZDO会发动一系列初始化的动作，先通过APS做装置搜寻(Device Discovery)以及服务搜寻(Service Discovery)，然后根据事先定义好的描述信息(Description)，将与自己相关的装置或是服务记录在APS里的绑定表(Binding Table)中，之后，所有服务的使用，都要通过这个绑定表来查询装置的资料或行规。而装置应用Profile则是根据不同的产品而设计出不同的描述信息(Description)、以及ZigBee各层协议的参数设定。在应用层，开发商必须决定是采用公共的应用类还是开发自己专有的类。ZigBee V1.0已经为照明应用定义了基本的公共类，并正在制定针对HVAC、工业传感器和其他传感器的应用类。任何公司都可以设计与支持公共类的产品相兼容的产品。例如，一个采用公共ZigBee照明类的荧光灯镇流器供应商可与采用相同类的第三方灯开关调光器实现互操作。开发人员可对该公共类加入他们自己的看法和感觉。ZigBee设备采用应用对象进行建模，这些应用对象通过交换类对象和它们的属性实现与其他设备的通信。
安全性一直是个人无线网络中的极其重要的话题。安全层并非单独独立的协议，ZigBee为其提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE 802.15.4的安全元素。为了提供灵活性和支持简单器件，IEEE 802.15.4在数据传输中提供了3级安全性：第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可选择这种方式来转移数据；对于第二级安全性，器件可使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码，如ZigBee的MAC层使用了一种被称为高级加密标准(Advanced Encryption Stan-dard，AES)的算法进行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全机制，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。选择AES的原因主要是考虑到在计算能力不强的平台上实现起来较容易，目前大多数的RF芯片，都会加入AES的硬件加速电路，以加快安全机制的处理。
另外，ZigBee Alliance也负责Zig-Bee产品的互通性测试与认证规格的制定。ZigBee Alliance会定期举办ZigFest活动，让发展ZigBee产品的厂商有一个公开场合，能够互相测试互通性。而在认证部分，ZigBee Alliance共定义了3种层级的认证：第一级(Level 1)是认证PHY与 MAC，与芯片厂有最直接的关系；第二级(Level 2)是认证ZigBee Stack，所以又称为ZigBee-compliant Platform Certification；第三级(Level 3)是认证ZigBee产品，通过第三级认证的产品才允许贴上ZigBee的标志，所以也称为ZigBee-Logo Certification。
2. ZigBee的特点和传输数据类型
根据ZigBee之技术本质，ZigBee具有下列特性：
(1)功耗低、时延短、实现简单。装置可以在使用电池的驱动下，运行数月甚至数年，低功耗意味着较高的可靠性和可维护性，更适合体积小的众多应用；非电池供电的装置同样需要考虑能量的问题，因为功耗还关系着成本等一系列问题。ZigBee传输速率低，使其传输信息量亦少，所以信号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，这对省电极为有利。另外，在工作与睡眠模式之间的转换时间短，一般睡眠激活时间只有15ms，而装置搜索时间为30ms。
(2)可靠度高。ZigBee的MAC层采用碰撞避免(CSMA/CA)机制，此机制无疑能大幅提高系统信息传输的可靠度。
(3)高度扩充性。每个ZigBee网络最
发表于：2006-08-02 16:36:00
2楼
ZigBee网络模块JN5121-000-M0x系列产品使系统开发人员在设计传感器网络产品过程中可以不必设计RF电路和测试方案。该模块还提供经过验证的参考设计，并为那些向终端市场销售无线传感器模块的其它模块供应商提供封装制造服务。该模块为开发人员提供了访问JN5121芯片的全部数字和模拟接口能力，包括ADC、DAC、比较器、定时器、UART、串行口及GPIO。JN5121-000-M0x的IO访问确保模块可以(单独)使用，而不必增加额外的电路去实现许多低功耗无线系统所需要的功能。每一个模块都配备了IEEE802.15.4 MAC层软件或ZigBee网络协议栈。
应用领域
短距离无线应用,传感器网络,无线读表网络,智能玩具,智能家庭, 智能农业
产品特点
·超小型的模块解决方案
·成熟可用的产品
·缩短产品开发周期
·无需RF测试
·通过FCC认证, ETSI ETS 300-328 和 Japan ARIB STD-T66
产品型号
JN512121-000-M00 (原JN5121-MO000) – 标准模块(+1dBm)带在板天线, 通讯距离>100m
JN512121-000-M01(原JN5121-MO003) – 标准模块(+1dBm) 带SMA连接器, 通讯距离>100m
JN512121-000-M02(原JN5121-MO006) – 100mW功耗,带LNA 和 SMA 连接器, 通讯距离>1km
博讯科技提供开发包、模块、芯片以及技术培训与支持
欢迎致电垂询 010-51663110
详细的产品信息和应用请访问我们的网站
http://www.zigbee.cc
http://www.boccn.com.cn/
http://www.boccn.com.cn/index.php?option=com_content&task=view&id=96&Itemid=284
应用领域
短距离无线应用,传感器网络,无线读表网络,智能玩具,智能家庭, 智能农业
产品特点
·超小型的模块解决方案
·成熟可用的产品
·缩短产品开发周期
·无需RF测试
·通过FCC认证, ETSI ETS 300-328 和 Japan ARIB STD-T66
产品型号
JN512121-000-M00 (原JN5121-MO000) – 标准模块(+1dBm)带在板天线, 通讯距离>100m
JN512121-000-M01(原JN5121-MO003) – 标准模块(+1dBm) 带SMA连接器, 通讯距离>100m
JN512121-000-M02(原JN5121-MO006) – 100mW功耗,带LNA 和 SMA 连接器, 通讯距离>1km
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http://www.boccn.com.cn/index.php?option=com_content&task=view&id=96&Itemid=284
发表于：2006-09-28 10:33:00
6楼
SZ02-ZIGBEE无线网络模块
SZ02-ZIGBEE无线通信模块是加强型的ZIGBEE模块，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点
之间的设备间数据的透明传输；可组MESH型的网状网络结构。
集成简单：RS232/485数据透明传输；
通信可靠：强大的网络检测和自恢复功能；
网络规模：超大规模网络组网能力；
超远距离：传输达2公里；
产品类型：独立设备和嵌入式小模块。
上海顺舟网络科技有限公司
电 话：021-58326580
网 站：www.shuncom.com
邮 件：blueray_chen@sohu.com
SZ02-ZIGBEE无线通信模块是加强型的ZIGBEE模块，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点
之间的设备间数据的透明传输；可组MESH型的网状网络结构。
集成简单：RS232/485数据透明传输；
通信可靠：强大的网络检测和自恢复功能；
网络规模：超大规模网络组网能力；
超远距离：传输达2公里；
产品类型：独立设备和嵌入式小模块。
上海顺舟网络科技有限公司
电 话：021-58326580
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发表于：2007-07-03 17:55:00
7楼
WS-M系列产品是基于CC2430/31芯片生产的ZigBee模块。模块使用2.4GHz频带，且遵守IEEE802.15.4 标准、焊接形式采用表面贴片安装形式。用户可利用该模块以最快速度和最低的成本将Zigbee技术嵌入其应用系统中。采用该模块可以免去射频设计阶段复杂的、高成本的开发和测试过程。
该模块集成了所有的射频组件、并在模块中放置了1M Flash，用于存储参数、放置模块固件，从而实现空中软件升级、空中参数设置。对于想将Zigbee技术嵌入其产品的开发商而言，需要做的就是连接电源与串口。目前已经有6种不同型号的模块，这六款模块都可以通过指令集设定通讯距离、信道、网络参数，收发数据包、IO控制、AD采集等功能、其中WS-MA31W及WS-MB31W还可实现定位功能：
A型模块 可视距离160米、发射功率：0dBm
序号 型号 描述
A1 WS-MA30W 基于CC2430、芯片天线
A2 WS-MA30E 基于CC2430、芯片天线连接器 接口:U.FL
A3 WS-MA31W 基于CC2431、芯片置天线，可实现定位功能
B型模块 可视距离1600米、发射功率：18 dBm
序号 型号 描述
B1 WS-MB30W 基于CC2430、芯片置天线
B2 WS-MB30E 基于CC2430、芯片置天线连接器 接口:U.FL
B3 WS-MB31W 基于CC2431、芯片天线，可实现定位功能
无线盛世 做地球上最好用的Zigbee模块
http://www.SocZigbee.com
E-mail：wxss@vip.sina.com
QQ:383855848
电话：0755-83748786
传真：0755-83748785
深圳市无线盛世科技有限公司
深圳市福田区华强北路群星广场A栋807
邮编：518028
该模块集成了所有的射频组件、并在模块中放置了1M Flash，用于存储参数、放置模块固件，从而实现空中软件升级、空中参数设置。对于想将Zigbee技术嵌入其产品的开发商而言，需要做的就是连接电源与串口。目前已经有6种不同型号的模块，这六款模块都可以通过指令集设定通讯距离、信道、网络参数，收发数据包、IO控制、AD采集等功能、其中WS-MA31W及WS-MB31W还可实现定位功能：
A型模块 可视距离160米、发射功率：0dBm
序号 型号 描述
A1 WS-MA30W 基于CC2430、芯片天线
A2 WS-MA30E 基于CC2430、芯片天线连接器 接口:U.FL
A3 WS-MA31W 基于CC2431、芯片置天线，可实现定位功能
B型模块 可视距离1600米、发射功率：18 dBm
序号 型号 描述
B1 WS-MB30W 基于CC2430、芯片置天线
B2 WS-MB30E 基于CC2430、芯片置天线连接器 接口:U.FL
B3 WS-MB31W 基于CC2431、芯片天线，可实现定位功能
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传真：0755-83748785
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