ＺｉｇＢｅｅ規(guī)范與系統(tǒng)設計需求剖析

無線技術在人們的生活中愈來愈重要，目前市場上的焦點技術包括Wi-Fi、3G/HSDPA、WiMAX、UWB、藍牙等等，這些技術都與人們直接存取數(shù)據的應用有關，例如上網、下載影音文件或撥打電話。不過，有另一類無線應用也正在快速的發(fā)展中，此類應用與人們的使用雖不一定直接相關，但對生活的便利性也有相當大的幫助。

這就是所謂的無線傳感或控制網絡，其應用領域非常廣，只要是具有控制或傳感功能的電子設備，在加入無線通訊功能后，再結合適當?shù)木W絡拓撲機制，就能組成具有自動控制、傳感及監(jiān)控等功能的電子設備網絡系統(tǒng)，例如可用于家庭看護監(jiān)控、入侵監(jiān)控、家電自動化、工廠作業(yè)監(jiān)控、資產出貨管理及環(huán)境監(jiān)測等等。

這種網絡系統(tǒng)有一些特性，與我們常用的網絡很不相同，這些特性大致整理如下：

它們只需傳輸有限的數(shù)據，因此不會要求高速的帶寬；

無線收發(fā)器的傳輸距離不需太遠，但要能與鄰近節(jié)點形成可靠的網絡；

這類裝置通常使用電池做為電源，而且需要有長時間的使用壽命，因此必須是非常省電的設計；

這類裝置的尺寸通常很小，因此內部的元件集成度要高；

它們的使用環(huán)境可能極為嚴苛，所以耐用性要求甚高；

網絡布建的規(guī)模可能很大，因此建置及設備成本不能太高；

在建置上需考慮節(jié)點及通訊網路在故障狀況下的容錯性。

能滿足這些條件的無線技術并不多，ZigBee正是專為此類應用而規(guī)劃的技術，以下將介紹ZigBee的重要技術規(guī)格及系統(tǒng)架構。ZigBee底層技術：IEEE 802.15.4

ZagBee是由ZigBeeAlliancc所制定的無線網絡協(xié)議，此聯(lián)盟是由50多家公司聯(lián)合起草的，目前加入的公司已有大約200家，他們來自半導體業(yè)、軟件開發(fā)商、終端產品制造商和服務供貨商，其中一些來自電信業(yè)。會員中雖然有很多國際知名的廠商，但目前并沒有真正能主導市場或技術發(fā)展的廠商。ZigBee的第一個公開版本(ZigBee V1.0)于2005年6月底公布，在2006年12月又制定了V1.1的新版本，此版本又稱為ZigBee2006；從發(fā)布至今，市場上有超過30個兼容的平臺。下一版V1.2正在如火如荼的制定中，預定在今年年中會公布，此版本又稱為ZigBeePro或ZigBee2007。

ZigBee規(guī)范是專為大型網絡而設計的，它最多能支持65536個網絡節(jié)點。它的底層采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體存取層(MAC)及物理層(PHY)，能夠滿足無線控制及傳感應用所需要的低傳輸率、低功耗、支持大量網絡節(jié)點等條件。在無線射頻部分，IEEE 802.15.4支持2.4GHz(2450MHz)和868/915MHz兩個頻段，其中2.4GHz頻段中可提供250kbit/s的物理層數(shù)據傳輸率，以及16個不同的信道；868/915MHz頻段中，868MHz支持1個數(shù)據速率為20kbit/s的信道，915MHz支持10個數(shù)據速率為40kbit/s的信道。針對2.4GHz頻段，802.15.4采用OffsetQPSK調變技術，并在868/915MHz的頻段采用BIT/SK，此做法能讓功耗降到最低，也能減少設計復雜度。此外，它也導入直接序列擴頻(DSSS)技術，DSSS采用全頻帶傳送數(shù)據，使得原來較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲。ZigBee工作在IEE802.15.4規(guī)范的ISM頻段，在歐洲是868MHz，在美國是915MHz，在其他國家主要是使用2.4GHz頻段。至于MAC層方面，802.15.4規(guī)范了相鄰設備間單跳數(shù)據通訊的規(guī)則，它負責設立與網絡的同步，支持關聯(lián)和去關聯(lián)以及MAC層安全；它能提供兩個設備之間的可靠鏈接。

ZigBee協(xié)定

再來看看ZigBee協(xié)定。它的協(xié)議層從下到上分別為物理層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網絡層(NWK)和應用層(APL)等。網絡裝置的角色可分為ZigBee協(xié)調器(Coordinator)、ZigBeeRouter、ZigBcc EndDevice等三種。它支持星狀(Star)、網狀(Mesh)和網狀一樹狀(Mesh-tree)三種網絡拓撲。其中星狀網絡最單純，所有的信息都會路由到協(xié)調器，由協(xié)調器來發(fā)起一個網絡、設定各項網絡參數(shù)，并分派網絡地址，這和網絡集線器(hub)的架構很相似。

1.拓撲架構

ZigBee網狀網絡是AODV(Ad hoc On-De-mand Distance Vector routing)技術的修改版本，它使信息在節(jié)點之間傳遞，即便任何節(jié)點失效或掉線，數(shù)據仍能到達目的地，因此具有最佳的可靠性。協(xié)調器只需啟動這個網絡，建立后，就不用擔心因某一點故障而造成網絡不通。當有更多的收發(fā)器或節(jié)點加入，就會形成更密集的網絡，進而提升其可靠度。

Mesh-tree網絡則采用C-Skip算法，也就是依協(xié)調器、路由器和終端器的角色來決定節(jié)點的布局。每個路由器都知道自己的下屬節(jié)點，當它收到訊號時，會使用一套公式來決定如何傳送這個信息。純粹的樹狀網絡本身并不可靠，因為連結隨時可能會中斷，加入Mesh的功能就能自我修復中斷的連結。

2.應用層規(guī)范

與產品使用緊密相關的，則是應用層的設計。ZigBee應用層包含應用程序支持子層(APs)、應用程序架構(AF)、ZigBee裝置管控對象(ZDO)與各廠商定義的應用程序對象。此外，ZigBee還定義了應用規(guī)格(ApplicationProfile)，它針對各種不同的應用情境定義出概略的行為藍圖，讓特定應用中采用此規(guī)格的裝置之間能夠互相操作，例如只要家庭控制照明(Home Control Lighting，HCL)的應用規(guī)格，不同廠商的燈光開關也能用來控制各種的照明燈具。

為了保證產品之間的互操作性，目前有7個次團體正在制定zigBee的公用規(guī)格(Pubfic Profile)，一些有趣的應用領域及ZigBee解決方案包括：貨物運送的資產管理、家庭看護監(jiān)控、商用照明控制、旅館空調系統(tǒng)(HVAC)能源管理、先進電表平臺等。所有采用ZigBee公用規(guī)格的認證合格產品，都可以在此產品上使用ZigBee語言和標志。設備制造商也可以在公用規(guī)格之上加入額外的功能，以讓他們的產品顯得獨特和具有加值性。此外，廠商也可以自己設計專屬的規(guī)格，也就是在ZigBee兼容平臺之上開發(fā)專屬性的產品。目前ZigBee聯(lián)盟提供三大測試項目，分別是ZigBee兼容性平臺、ZigBee認證(ZigBee Certified)和ZigBee網絡支持(ZigBeeNetwork Capable)。

ZigBee系統(tǒng)需求

ZigSee節(jié)點往往僅需要一對AA電池就能工作大約一年甚至許多年，因此它的功耗必須很低，其軟、硬件技術架構自然不能太過復雜。以網絡協(xié)議棧來說，相較于802.11動輒需要1MB以上的程序內存，ZigBee對程序代碼的空間需求很低，通常只需32KB至70KB，因此非常適用于無線控制及傳感節(jié)點的單純設計架構。

除了無線的部分，在硬件架構上，目前業(yè)界與學界已發(fā)展出多套適合的硬件系統(tǒng)，包括：BTnode rev2/rev3、Imote/Imote2、Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZ、WiseNet等；常被采用的處理器則包括：ARM7、AtmelAVR、Xscale、Intel 8051、PIC、TI MSP430等。這類系統(tǒng)皆具有低成本、低功耗和微小化的特性。在軟件方面，ZigBee協(xié)議必須執(zhí)行在適當?shù)那度胧讲僮飨到y(tǒng)或實時操作系統(tǒng)(RTOS)之上。此類操作系統(tǒng)不需要如PC操作系統(tǒng)一般支持復雜的應用程序及使用者接口；由于在內存映像硬件支持上的限制，此類操作系統(tǒng)也不需或無法建置虛擬內存(virtual memory)的機制。

此外，由于無線控制及傳感網絡中最耗電的動作是數(shù)據的傳送，因此這類軟件需采用特殊的算法，通常是使用多點跳躍(multi-hop)的傳送方式，也就是從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，一直往基地臺的目的地傳送，進而能將單次的傳輸功耗降到最低。

另一個重要的設計機制是為節(jié)點加入休眠功能，也就是當設備不需傳感、控制或傳送數(shù)據時，就讓此節(jié)點進入休眠的模式。但開關收發(fā)器(亦即進入睡眠狀態(tài)或結束睡眠狀態(tài))也會造成不小的功率損耗，因此如何安排節(jié)點的休眠時間表(schedling)也成為一項重要的研究課題。

結語

以電子設備為中心的網絡規(guī)模其實是遠遠大于以人為中心的信息及娛樂性網絡。在家庭、辦公室、工業(yè)環(huán)境、醫(yī)療院所等等地方已使用了太多的電子設備，而另一種以傳感用途為主的設備也開始廣為布建，當這些節(jié)點具備了網絡連結與控制的能力，將對人類的生活產生極為巨大的影響。

從溫度、濕度、照明、運動到影像，各種想得到的傳感組件都已出現(xiàn)商業(yè)化的產品。利用這些傳感器建立起的無線傳感網絡，具有監(jiān)控、追蹤和控制等基本功能，用得到的場合難以盡數(shù)，例如住宅監(jiān)控、對象追蹤、核反應堆控制、火警偵測、交通流量監(jiān)控等等。ZigBee為這些應用提供了極為理想的無線傳輸基礎，然而應用上的落實還在起步階段。除了ZigBee之外，還有多項競爭性的技術在發(fā)展中，例如強調比ZigBee更精簡的Z-wave，藍牙的精簡版Bluetooth Lite及互補的Wibree，其中Wibree由Nokia主導，強調能提供十倍于藍牙的效率，其-輸出功率將只有6dBm。這些技術的競爭對于市場發(fā)展有良性的幫助，而且此應用領域太廣了，不同的技術可能適合于特定的應用領域。