zigbee技术应用(二):技术知识分析篇

　　Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术,本内容首先介绍了Zigbee的基础知识与技术要点，然后分析了Zigbee技术与蓝牙技术、WIFI、Z-Wave等短距离通信技术的分析与比较。
一、Zigbee基础知识

　　Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。

　　Zigbee的基础是IEEE802.15.4(如下图1所示)，这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。

　　

 

　　Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

　　

 

　　Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分:

　　数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用;

　　功耗低:在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势;

　　成本低:因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。

　　时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间;

　　安全:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性;

　　网络容量大:每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接;

　　优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围;

　　有效范围小:有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;

　　工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

　　更重要的是，预测未来6到7年内，家庭用户将占有Zigbee2/3的市场。在可以预期的将来，Zigbee无线传感将切实改变你我的生活。

　　二、ZigBee上游芯片厂商

　　目前市场上ZigBee芯片提供商有：TI(Chipcon);Freescale;Ember;Jennic;Atmel;Integration;NEC;OkI;Renesas; 等9家。其中TI;Frescale;Ember;Jennic是市场上主导的供应厂商，这四大厂商基本上垄断了整个90%的市场份额。四大巨头势力都比较均衡，Jennic之前在整体实力和名气上可能稍有欠缺，但自从被NXP收购后，至少在行业影响力方面可以和其它三家的竞争对手平分秋色了。

　　具体针对国内市场，由于整个ZigBee产业在国内相比于欧美市场有比较明显的差距，缺少上规模和有实质用量的应用，更多的还是停留在关注和学习阶段。因此这四大巨头在国内市场份额就体现出了一定的差异。从熟知度来说，应该是TI序列的芯片名气是最大的，国内不少高校;研究所都是基于TI序列的芯片来研究学习ZigBee的，很多ZigBee开发板;开发套件也都是基于TI芯片的，这可能与TI公司是最先免费提供自己ZigBee协议栈有一定的关系，降低了国内用户学习ZigBee技术的成本门槛。而像Frescale; Ember等公司由于一直还没有免费公布自己的ZigBee协议栈，其开发套件成本都在几W人民币，过高的学习费用门槛，导致普通学生或者工程师用户望尘莫及，因此在知名度方面要稍有逊色。但纵观国内ZigBee OEM客户厂商，真正有一定规模应用和影响力的厂商在选择应用芯片方案平台时，TI并没有体现出和知名度相匹配匹配的优势出来，四大巨头之间的竞争又趋于平衡。从国内行情来分析，基于Frescal和Ember两家公司方案在工业类的应用偏多，而TI和jennic两家的方案产品在消费类产品中较常见。这不知道是否和芯片的内在因素有一定的必然关系?值得我们后面继续关注比较。

　　三、ZigBee同wifi、蓝牙、Z-Wave这些短距离通信的分析与比较

　　1、　Zigbee和Wi-Fi的干扰和共存

　　Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比较

　　低速率、低功耗的Zigbee 有着特定的应用空间，是Wi-Fi的有效补充，两者的主要性能参数如表1 所示。

　　表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性

　　

 

　　干扰分析

　　背景

　　Zigbee 工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个物理层，即2.4 GHz频段和868/915MHz 频段物理层，而868MHz 和915 MHz 的ISM 频段分别只在欧洲和北美有，所以其主要工作于全球范围内免许可证的2.4 GHz 的ISM 频段。必然会与工作在该频段的Wi-Fi 产生相互干扰。

　　Zigbee 的底层标准把2.4 GHz 的ISM频段划分为16 个信道，每个信道带宽为2 MHz，如图1 所示。Wi-Fi 将该频段划分为11 个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22 MHz，所以11 个信道有重叠，无重叠的信道最多只有3 个，如图2 和图3 所示。显而易见，假定Wi-Fi 系统工作在任一信道，则Zigbee 和其信道频率重叠的概率为1/4.当Zigbee 和Wi-Fi 同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。

　　

 

　　

 

　　

 

　　Zigbee 对Wi-Fi 的干扰分析

　　本节将分析在频偏为零的同信道条件下Zigbee 对Wi-Fi的干扰。假设一室内环境下的Zigbee 和Wi-Fi 设备节点如图4 分布。每个Zigbee 节点呈独立一致性均匀分布，其处于活动状态的概率为P[A ]，分布密度为D.假设有个Zigbee 节点会产生对STA 有效的干扰，则分组冲突概率P[C]为m2：

　　本文室内路径损耗选用对数距离模型：

　　其中：n- - 依赖于周围环境，Xo- - 零均值的高斯分布随机变量，d0- - 近地参考距离。

　　根据文献[5]和[6]，对于一个半径为R 的覆盖区，假设STA的SIR 的阈值为γ (如果Zigbee 节点要对STA 产生有效的干扰，使其SIR 必须小于γ )，则有效干扰区域的百分比为U(γ )(即对于STA的SIR低于γ的区域百分比)，如果在半径范围内导致SIR低于阈值的概率为P[SIR《γ] ，则：

　　

 

　　则对数正态分布变量SIR 的均值为：

　　

 

　　其方差为δ。

　　

 

　　针对上述模型做定性分析，由于Zigbee 底层协议IEEE802.15.4 中有着特殊的睡眠机制，节点处于活动状态的概率一般小于1 %[4]，γ可取为10dBm[7]，AP 和Zigbee 的传输功率分别为14 dBm 和0 dBm。

　　根据文献[6]，分组出错率的期望E[PER]=P[C] ，分组冲突概率越大，相应的分组出错率也越大。从图5 可以看出，随AP和STA 的距离d以及δ的增大，系统的性能越差。

　　

 

　　

 

　　2、ZigBee和蓝牙分析与比较详解

　　蓝牙也是一种短距离无线通信技术，自蓝牙规范发布以采，它在越来越多的领域得到了应用。比如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC机外设等。

　　在ZigBee和蓝牙的关系上，ZigBee联盟认为ZigBee和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争。本文将围绕技术和市场两个方面来分析ZigBee和蓝牙这两种短距离无线通信技术，证明蓝牙将在某些应用方面面临ZigBee技术的竞争。最后，对ZigBee和蓝牙的应用和发展提出了建议。

　　系统复杂性

　　ZigBee的系统复杂性要远小于蓝牙的系统复杂性。这可以从它们的协议栈的参考模型(图1)中看出。ZigBee协议栈简单，实现相对容易，需要的系统资源也较少，据估计运行ZigBee需要系统资源约28Kb;蓝牙协议栈相对复杂，它需要系统资源约为250Kb。ZigBee定义了两种

　　类型的设备：全功能设备FFD(Ful Functional Device)和简化功能设备RFD(Reduced Function Device)。网络为主从结构， 一个网络有一个网络协调者(Coordinator)和最多可达65535个从属设备。网络协调者必须是FFD，它负责管理和维护网络，包括路由、安全性、节点的附着与离开等。一个网络只需要一个网络协调者，其他终端设备可以是RFD，也可以是FFD。RFD的价格要比FFD便宜得多，其占用系统资源仅约为4Kb，因此网络的整体成本比较低。从这一点来说，ZigBee非常适合有大量终端设备的网络，如传感网络、楼宇自动化等。

　　安全性

　　ZigBee采用了分级的安全性策略：无安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系统是用于安全性要求不高的场景，可以选择级别较低的安全措施，从而换取系统成本和功耗的降低;反之，在安全性要求较高的应用场景(如军事)，可以选择较高的安全级别。这样，

　　厂商可以综合考虑功耗、系统处理能力、成本和应用环境等方面因素而采取适当的安全级别。ZlgBee分别在MAC层和NWK层采取了安全策略。在数据经过一跳就到达目的地时，ZigBee只用MAC层提供的安全机制;当在多跳的情况下，ZigBee就要依赖高层来保证安全。下面分述MAC层和NWK层的安全性。

　　MAC层安全套件(Security Suites)基于以下三种操作模式：计数器(CTR，Counter)模式的AES加密、密码块链接模式(CBC-MAC，CiPher Block Chaining)的数据完整性、CTR和CBC-MAC相结合的加密和完整性(OW做CCM模式)。MAC层的AES加密算法可以保护MAC命令、信标、信息帧和应答帧的秘密性、完整性和真实性。MAC帧的头部有一个比特用来指示MAC帧是否加密。每一个密钥只与一个安全套件相关联。为了保证数据完整性，MAC层计算头部和净荷数据得到一个消息完整码(MIC，Message Integrity Code)，其长度为4、8或

　　16字节。同时，在每个MAC帧头也都有一个帧编号，用于防止帧丢失和帧重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和对处理过程的控制则由高层来负责。

　　NWK层也使用AES，它的安全套件是基于CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同时提供只加密和只保证完整性的功能。使用CCM*允许单个密钥用于不同的安全套件。因此一个密钥并不只属于单个安全套件，一个高层应用可以灵活地指定NWK所用的安全套件。NWK层负责安全处理，但对处理过程的控制则由高层通过建立密钥和决定使用哪一种CCM*安全套件来实现。此外，帧序号和MIC也可以加在NWK帧中。

　　蓝牙协议在基带部分定义了设备鉴权和链路数据流加密所需要的安全算法和处理过程。设备的鉴权是强制性的，所有的蓝牙设备均支持鉴权过程，而链路的加密则是可选择的。蓝牙设备的鉴权过程是基于问询一响应模式和共享的加密方式。为了使蓝牙链路的数据流具有隐蔽性，可以使用1比特的流密码对链路进行加密。密钥大小随着每个基带分组数据单元(BB—PDU)传输而改变。加密密钥可以从对设备鉴权中得到。这意味着，在使用链路加密之前，两个设备之间至少已经进行了一次鉴权。密钥的最大长度为128比特。

　　从以上分析可以看出，ZigBee和蓝牙在一定程度上都能够保证安全性。但ZigBee比蓝牙更为灵活，这更有利于控制系统成本。

　　3、ZigBee和Z-Wave的区别与未来

　　ZigBee和Z-Wave短距离无线技术都用于远程监控和控制，但两种技术的规格和应用却不同。在美国应用越来越广泛的家庭局域网(home-area network, HAN)中，两种技术都是理想选择。本文将对比这两种广泛使用的无线技术(见表格)。

　　

 

　　Z-Wave

　　Zensys在2008年被Sigma Designs收购之前开发了Z-Wave私有无线标准。Sigma Designs的产品是IC和电力线通信(PLC)和无线相关设备。Z-Wave标准不像很多无线标准那样开放，但Zensys、Sigma Design的客户都可以使用。最近，国际电信联盟(ITU)把Z-Wave PHY和MAC层作为其新标准G.9959的选择，该标准为1GHz一下的窄带无线设备提供了一套指南。

　　Z-Wave无线网状网络技术让任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其它临近节点通信。如果两个不在通信范围内的节点想要通信，则可以通过连接另外一个节点获取或交换信息。Z-Wave网络最多支持232个节点，还支持设置多个控制器，以区分开所需的各种功能。

　　Z-Wave使用Part 15免费ISM频带，运行在美国和加拿大的908.42MHz频率上，在其他国家则根据各国规定使用其他不同频率。调制方式是高斯移频键控(FSK)。数据速率包括9600 bits/s和40kbits/s.输出功率为1mW和0 dBm.和其他无线技术类似，传输范围取决于环境。在开阔空间中，最大范围可达30米。穿墙的话范围会有一定减小。

　　Sigma Designs的ZM3102模块专为和其它产品集成而设计，用于监控和控制。除了无线收发器外，还包括板载一块CPU,以及内置的23kbytes闪存和2kbytes的SRAM,另外还支持有四个模拟输入的12位ADC.接口包括GPIO、SPI、UART和脉冲宽带调制(PWM)，也提供Triac控制器。模块电压范围为2.1V到3.6V直流，功耗非常低。典型的转发周期仅为0.1%,也就是说大多数时候设备处于休眠模式。

　　ZigBee和Z-Wave的目标应用一致。其中ZigBee的通用性远超Z-Wave,几乎可以配置并实现任何短距离无线功能，应用规范也可以大大缩短普通应用的开发时间。另一方面，ZigBee的协议更复杂，开发时间也更长。Z-Wave采用更简单的协议，开发更快也更简单。

　　Z-Wave芯片只能通过Sigma Designs这一唯一来源获取。Sigma Designs只卖给OEM、ODM和其它主要客户。在Home Depot和Lowes这样的商店里，可以买到500多种家庭控制产品，但很多并没有说明使用了Z-Wave.

　　ZigBee芯片厂商包括Ember、飞思卡尔、Microchip和德州仪器。完善且立即可用的ZigBee模块也可以通过多个来源获得，包括Atmel、CEL、Digi、Jennic、Lemos和RFM.

　　在0 dBm的特定功率下，Z-Wave的范围比ZigBee更大，这是因为Z-Wave运行在更低的频率下(根据Friis公式)。这也意味着Z-Wave在某些应用中连接也更稳定。

　　ZigBee使用应用广泛的2.4GHz ISM频段，因此必须与Wi-Fi、蓝牙和其它无线标准共享频段，会产生干扰。大多数ZigBee设备都有有助于缓解干扰的共存功能，但潜在的2.4GHz干扰比Z-Wave所处的908.42MHz通道更大。

　　四、ZigBee的技术应用-智能家居篇

　　基于ZigBee技术的智能家居系统的设计方案

　　本文介绍一种基于ZigBee 技术的网络化智能家居系统的设计和实现方案。系统硬件上以S3C2440A 为控制核心，利用CC2430 组建家庭内部网络来采集家庭设备的数字信号， 用USB camera 采集家庭内部的视频信号。软件上利用嵌入式Web服务器和CGI 技术实现家庭内网和Internet 相连，达到远程监控的目的。通过实际测试证明系统功能强大，运行稳定，满足了家庭信息网络化的要求。

　　本系统选用S3C2440A 作为核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的处理器， 采用了16/32 位RISC 处理器， 具有外部存储器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，两通道SPI，两路全速USB 主设备芯片，带有MMU 虚拟存储器单元，这一特性可以移植linux 系统和建立Web 服务器，主频400MHz，有130 个I/O 端口和24 路外部中断源，有多种通信接口，体积小，功耗和成本低，可靠性高，特别适合作为嵌入式微处理器。

　　

 

　　ZigBee 协调器和设备节点程序

　　ZigBee 家庭无线网络主要负责对现场各种信息的监控以及数据的采集， 并将内部处理过的数据经家庭网关传送到外部网络。本系统中ZigBee 协调器主要用于建立无线网络，分配地址，向终端节点发送控制命令和接收终端节点的工作状态，并将接收到的状态数据全部上传至Web 服务器， 最后通过Internet传送到远端的用户端。终端设备节点主要有加入网络，接收控制命令，以及发送状态信息给协调器等。协调器主程序流程如图2所示。

　　

 

　　基于ZigBee技术的无线智能照明系统

　　基于ZigBee的智能照明系统的实现

　　ZigBee是一种在无线个人网络领域中新兴的无线网络技术。电子与电气工程师协会IEEE于2000年底成立了802.15.4工作组，规定了ZigBee的物理层和媒体接入控制层。2001年8月成立了 ZigBee联盟，负责ZigBee规范的制定和应用推广工作，2004年12月推出ZigBee规范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下正日趋增强和完善，其实际工程应用正日益普及。世界各大半导体巨头TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee标准的芯片及协议栈。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack协议栈是业内公认的最佳解决方案。本文的无线智能照明系统就是在这个平台上实现的。

　　硬件设计

　　无线智能照明系统的网络节点分为协调器、路由器和终端节点三种。其中，协调器的硬件结构框图如图1所示。

　　

 

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