1、新技术专题浅谈对ZigBee的认识一、 ZigBee的起源及技术简介通过老师两次课和自己下来搜索学习，对zigbee通信技术有了一定的了解，下面作以下书面报告。在课程开题的初始就最zigbee这个名字很是好奇，不知道为什么会取这样一个名字，下面就从zigbee名字起源开始介绍吧。蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称
2、为ZigBee。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在
3、百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。 二、 ZigBee的发展1、IEEE 802.15.4标准的提出 最近几年来，由于无线接入技术的需求日益增大，以及数据交换业务（如因特网、电子邮件、数据文件传输等）不断增加，无线通信和无线网络均呈现出指数增加的趋势。这有力的推动力无线通信向高速通信方向的发
4、展。然而，工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等都是无线通信还未涉足或者刚刚涉足的领域。这些领域对数据吞吐量的要求很低，功率消耗也比现有标准提供的功率消耗低。此外，为了促使简单方便的、可以随意使用的无线装置大量涌现，需要在未来的个人活动空间内布置大量的无线接入点，因而低廉的价格将起到关键的作用。为了降低元器件的价格，以便于这些装置批量生产，有必要发展出一个标准的解决方案。这个标准要解决的问题是，设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机；要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计。这就要求该标准应提供低带宽低数据传输速率的应用。为了满足低功率、低价格无线网络的需
5、要，IEEE新的标准委员会在2000年成立了一个新的任务组（任务四组），开始制订低速率无线个域网（LR-WPAN）标准，称为802.15.4。任务四组的目标是：在廉价的、固定或便携的、移动的装置中，提出一个具有超低复杂度、超低价格、超低功耗、超低数据传输速率的无线接入标准。该组的工组任务是制订物理层（PHY层）和媒体介入控制层（MAC层）的规范。LR-WPAN网络最明显的特征是数据吞吐率从一天几位到一秒钟几千位。许多低端应用不会产生大量的数据，所以只需要有限的带宽，而且通常不需要实时数据传输或连续更新。低数据传输速率使LR-WPAN所消耗的功率非常低，所以有许多应用适合采用LR-WPAN系统，
6、如对电池使用寿命要求较高的工业设备监视与控制等。设计LR-WPAN系统需要考虑的关键问题是降低功率消耗，延长电池使用寿命。2003年初推出正式LR-WPAN标准。在此之前，802.15.4无线发射/接收机及网络被Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等这些国际通信与工业控制界巨头们所使用，在此基础上提出了无线短距离网络标准ZigBee。IEEE标准委员会在2006年对802.15.4做出了特别的改进和修正，并将与IEEE 802.15.4-2003兼容。新规范明确了一些模糊的概念，减少了不必要的复杂性，增加了安全密钥使用的灵活性，并将一些新的频率分配考虑在内。2、ZigBee与IEEE
7、802.15.4的联系与区别 ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE 802.15.4标准定义了ZigBee协议的PHY层和MAC层。PHY层规范确定了在2.4GHz(全球通用的ISM频段)以250kb/s的基准传输率工作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传输率工作的915MHz（北美的ISM频段）和868MHz（欧洲的ISM频段）的实体层规范。MAC层规范定义了在同一区域工作的多个IEEE 802.15
8、.4无线电信号如何共享空中通道。为了促进ZigBee技术的发展，2001年8月成立了ZigBee联盟，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电子公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加入“ZigBee联盟”，目前该联盟已经有150多家成员，以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。 正如前面所述，ZigBee不仅仅只是802.15.4的名字，IEEE 802.15.4仅处理低级MAC层和PHY层协议，所以ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识。经过ZigBee联盟对IEEE 802
9、.15.4的改进，这才真正形成了ZigBee协议栈，其结构图如图1所示。应用层1应用层N应用汇聚层网络层IEEE 802.15.4逻辑电路控制类型1业务汇聚特定子层IEEE 802.15.4媒体介入控制层其他逻辑电路控制标准2.4GHz物理层868MHz/915MHz物理层图1 ZigBee协议栈结构图3、基于zigbee技术处理器的发展由于zigbee技术的显著优势，基于zigbee的处理器也风起云涌，基于zigbee技术的处理器可以分为三种：（1）ZigBee RF+MCU TI公司制造的CC2420，CC2420被称为第一款满足2.4GHz ZigBee产品使用要求的射频IC，拟应用于家
10、庭及楼宇自动化系统、工业监控系统和无线传感网络。Freescale公司的MC1319x收发信机系列，此系列芯片非常适用于ZigBee和802.15.4应用。它们结合了双数据调制解调器和数字内核，有助于降低MCU处理功率要求并缩短执行周期。事实上，由于可以利用连接RF IC和MCU的串行外围设备接口（SPI），Freescale系列中的几乎任何MCU都可以使用。Microchip公司的射频收发器MRF24J40，它是一个针对ZigBee协议及专有无线协议的2.4 GHz IEEE 802.15.4收发器，适用于要求低功耗和卓越射频性能的射频应用。随着MRF24J40收发器的推出，Microchi
11、p现在可通过加入仅需极少外部元件的高集成度射频收发器，提供完整的ZigBee协议平台。Microchip的无线电技术凭借全面的媒体存取控制器(MAC)支持，以及先进加密标准(AES)硬件加密引擎，实现低功耗，并且性能超过所有IEEE 802.15.4规范。（2）单芯片集成SOCTI公司的CC2430，CC2430使用一个8051 8位MCU内核，并具备128KB闪存和8KB RAM，可用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括调谐器、路由器和终端设备。另外，CC2430还包含模数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器
12、、上电复位电路(Power-On-Reset)、掉电检测电路(Brown-out-detection)，以及21个可编程I/O引脚。Freescale公司的MC1321X：MC1320x是公司推出的符合802.15.4标准的下一代收发信机，它包括一个集成的发送/接收（T/R）开关，可以帮助降低对外部组件的需求，进而降低原料成本和系统总成本。该收发信机支持Freescale的软件栈选项、简单MAC（SMAC）、802.15.4 MAC和全ZigBee堆栈。集成了MC9S08GT MCU和MC1320x收发信机，闪存可以在1660 KB的范围内选择。MC13211提供16 KB的闪存和1 KB的R
13、AM，非常适合采用SMAC软件的点到点或星形网络中的经济高效的专属应用。对于更大规模的联网，则可以使用MC13212（具有32 KB的内存和2 KB的RAM内存）和IEEE 802.15.4 MAC。 此外，MC13213（带有60 KB的内存和4 KB的RAM）和ZigBee协议堆栈设计用于帮助设计人员开发完全可认证的ZigBee产品。MC13213可以提供全面的编码和解码、用于基带MCU的可编程时钟、以4 MHz（或更高）频率运行的标准4线SPI、外部低噪声放大器和功率放大器（PA）实现的功能扩展以及可编程的输出功率。EMBER公司的EM250：EM250半导体系统提供更长的距离和可靠的共
14、存性，包括低功耗16位微控制器，128KB闪存，5K RAM，2.4GHz无线电和Ember公司的EmberZNet 2.1软件。EmberZNet 2.1是ZigBee兼容的网络堆栈，具有独特的能扩展ZigBee功能性，简单性和性能的增强特性。这些特性包括支持移动节点，大/密的网络，以及能在节点和授权分布式构造间提供更加可靠无线通信的传输层。EM250具有用作ZigBee位标器节点，全功能设备(FFD)或降功能设备(RFD)所需的资源。（3）单芯片内置ZigBee协议栈外挂芯片JENNIC公司的SOC+EEPROM：JN-5139芯片是一个低功率及低价位的无线微处理器，主要针对无线感测网络的
15、产品为主，JN-5139整合了32-bit RISC微处理器，完全兼容2.4GHz IEEE802.15.4的送收器，192k ROM，另外，可选择搭配RAM的容量从8KB至96KB(不同料号)，也整合一些数字及模拟周边线路，大幅降低外部零件的需求。内建的内存主要是用来储存系统的软件，包含了通讯协议堆栈，路径表，应用程序代码与资料。也包含了硬件的MAC地址与AES加解密的加速器，并拥有省电与定时睡眠模式，另外还有安全码与程序代码加密机制。 EMBER公司的260+MCU：新型EM260是 ZigBee 无线网络处理器，专为基于标准化的 TI 及其他精选 MCU平台的原始设备厂商提供。这种处理器
16、首次实现了具有“位置识别”的 ZigBee 兼容网络节点，可以简化调试、管理及网络再分段 (network sub-segmentation)。在具有强大竞争力的 ZigBee 产品中，EM260 在功耗方面还具有最高的 RF 输出与Rx灵敏度。4、推动ZigBee技术迅速发展的因素长期以来，低价、低传输速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商者雀跃不已，但是Bluetooth得销售一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层（PHY层）和
17、媒体介入控制层（MAC层）。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据传输速率（小于250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网状网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低传输速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。 一般而言，
18、随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据传输速率和通信范围较小的特点，也就决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务、汽车自动化、农业自动化和医疗设备控制等。此外，IEEE 802.15.4标准无线技术在给定信噪比下误码率是最低的，ZigBee很容易击败蓝牙、WiFi甚至ISM频段频移键控。在可靠方面，很难找到什么技术能够超越ZigBee。ZigBee技术不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经显示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更广泛的应用。但是我们还清楚的认识到，基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都谈不上很成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。可以肯定的是，在未来一段时间智能家居等领域的家用zigbee应用市场，将成为zigbee技术支撑的主力军。Zigbee技术也将在个人家居网络类似的领域，取得革命性的进步。
