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一种新的无线网络通信技术Zigbee

作者:南京总参第六十三研究所 瞿雷?? 2006年04月03日 ?? 收藏0

?????? 引 言

  对于嵌入式系统应用,往往需要相互间的通信,以交换测量数据和控制指令。目前采用的方式多是有线连接,包括点对点或总线方式,如RS485、CAN、Modbus等。随着无线网络通信技术的发展,在一些不便于或需要消除有线连接的场合,无线通信技术便有了它的用武之地。

  目前,市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的RF芯片产品,如工作在2.4 GHz的nRF24E1(Nordic)、CC1020/2500(Chipcon),工作在300~450 MHz的MAX7044/7033(Maxim)等。不少嵌入式应用也采用了这类技术,但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道,没有标准规范(或采用自己的专用标准)来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议,不具备兼容性;对通信的控制软件完全依赖目标系统设计,由用户自己完成,不仅额外增加了工作量,而且编制代码的可靠性、效率都较低,对组网应用更可能存在问题;不同厂家的产品不具备互操作能力,不具有通用性。

  Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准。它出现的

时间较短,2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范,尚未进入大规模的商业化生产和应用;但是,它的上升势头十分明显,已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司在今年4月通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。预计从2006年开始,基于Zigbee的无线通信产品和应用会迅速得到普及和高速发展。

?????? 1 Zigbee技术及应用

?????? 1.1 主要技术特点

  Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术,亦包含寓意。

  Zigbee技术并不是完全独有、全新的标准。它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)协议标准,但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由Zigbee联盟进行了制定,整个协议架构如图1所示。

              1Zigbee协议栈架构
              图1Zigbee协议栈架构

  Zigbee是以一个个独立的工作节点为依托,通过无线通信组成星状、片状或网状网络,因此,每个节点的功能并非都相同。为降低成本,系统中大部分的节点为子节点,从组网通信上,它只是其功能的一个子集,称为精简功能设备;而另外还有一些节点,负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用,称之为全功能设备(也称为协调器),如图2所示。

              片状结构的Zigbee网络
              图2片状结构的Zigbee网络

   Zigbee的特点突出,尤其在低功耗、低成本上,主要有以下几个方面:

  ① 低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

  ② 低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32 KB代码,子功能节点少至4 KB代码,而且Zigbee免协议专利费。

  ③ 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4 GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。

  ④ 近距离。传输范围一般介于10~100 m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1~3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

  ⑤ 短时延。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms,节点连接进入网络只需30 ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。

  ⑥ 高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65 000个节点的大网。

  ⑦ 高安全。Zigbee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。


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无线? 网络?

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