引言

對于嵌入式系統應用，往往需要相互間的通信，以交換測量數據和控制指令。目前采用的方式多是有線連接，包括點對點或總線方式，如RS485、CAN、Modbus等。隨著無線網絡通信技術的發展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術便有了它的用武之地。

目前，市場上已有多家公司推出應用于近距離通信的RF芯片產品，如工作在2.4GHz的nRF24E1（Nordic）、CC1020/2500（Chipcon），工作在300～450MHz的MAX7044/7033（Maxim）等。不少嵌入式應用也采用了這類技術，但它們大部分只提供解決無線通信的射頻通道，沒有標準規范（或采用自己的專用標準）來制定MAC層、鏈路層和網絡層的通信協議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標系統設計，由用戶自己完成，不僅額外增加了工作量，而且編制代碼的可靠性、效率都較低，對組網應用更可能存在問題；不同廠家的產品不具備互操作能力，不具有通用性。

Zigbee是一種近年來才興起的無線網絡通信技術標準，它出現的時間較短，2004年底才由Zigbee聯盟發布了1.0版本規范，尚未進入大規模的商業化生產和應用；但是，它的上升勢頭十分明顯，已有Chipcon、Freescale、 CompXs、Ember四家公司在今年4月通過了Zigbee聯盟對其產品所做的測試和兼容性驗證。預計從2006年開始，基于Zigbee的無線通信產品和應用會迅速得到普及和高速發展。

1 Zigbee技術及應用

1.1 主要技術特點

Zigbee一詞源自蜂蜜群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專著于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術、亦包含寓意。

Zigbee技術并不是完全獨有、全新的標準。它的物理層、MAC層和鏈路層采用了IEEE802.15.4（無線個人區域網）協議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網絡層、應用會聚層和高層應用規范（API）由Zigbee聯盟進行了制定，整個協議架構如圖1所示。

Zigbee是以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡，因此、每個節點的功能并非都相同。為降低成本，系統中大部分的節點為子節點，從組網通信上，它只是其功能的一個子集，稱為精簡功能設備；而另外還有一些節點，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備（也稱為協調器），如圖2所示。

Zigbee的特點突出，尤其在低功耗、低成本上，主要有以下幾個方面：

①低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優勢。相比較，藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。

②低成本。通過大幅簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且Zigbee免協議專利費。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1～3Km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

⑤短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能，相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3S。

⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理；最多可組成65 000個節點的大網。

⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES－128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療（ISM）頻段。2.4GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。

1.2 Zigbee產品應用

Zigbee主要應用在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間，典型的傳輸數據類型有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據。根據設想，它的應用目標主要是：工業控制（如自動控制設備、無線傳感器網絡），醫護（如監視和傳感），家庭智能控制（如照明、水電氣計量及報警）消費類電子設備的遙控裝置，PC外設的無線連接等領域。

一般而言，滿足如下一些特點的應用場合，是Zigbee應用極具優勢的地方：

①需要無線通信交換信息的低成本裝置；
②數據的交換量較小、傳輸的速率要求不高；
③功耗要求極低，采用電池供電且需要維持較長時間；
④需要多個（尤其是大量）設備組成無線通信網絡，主要進行監測和控制的場合。

依據Zigbee的聯盟和參與聯盟的主要廠商的基本設想，產品應提供一站式的解決方案，以方便應用，使那些不熟悉RF技術的人員也能迅速上手。因此其產品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內置的協議棧將Zigbee的通信、組網等無線溝通方面的工作已完全由產品實現，用戶只需要根據協議提供的標準接口進行應用軟件編程。由于協議棧的簡化，完成Zigbee協議的內嵌處理器一般可采用低價低功耗的8位MCU。

Chipcon公司推出的高度整合的系統級射頻收發器CC2430，如圖3所示，集成了RF前端、128KB閃存、8KBRAM以及8051八位MCU核；另外還集成了模數轉換器（ADC），定時器、AES－128協同處理器、看門狗、32kHz晶振休眠定時器、上電復位和掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳；使這寬產品就是一個具備Zigbee功能的SoC，可用于各種Zigbee無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端設備等。

此外、不少廠商也推出了Zigbee的產品和全套解決方案。如Freescale公司發布的低功耗2.45GHz集成射頻器件MC13192，包含802.15.4物理層，支持星型和網狀網絡，并在一個配套的MCU上實現Zigbee的協議棧；傳輸速率為250kbps，采用正交QPSK調制和直接序列擴頻編碼，通過1個四線串行接口與MCU通信，Helicomm公司推出的IP－Link 1200 Zigbee開發工具和產品，包含符合802.15.4標準的2.4GHz射頻組件、低功耗的8位微控制器、Zigbee網絡軟件和全波長天線，每次接力通信都能在75m范圍內提供250kbps的速率；支持最新的RS232－mesh透明串行模式，能在網狀和多次跳接（multihop）無限網絡內支持串行數據路由，速率最高可達38.4kbps。