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什么是ZigBee无线网络
什么是ZigBee无线网络?
一、引言
长期以来,低价、低传输率、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、玩具制造商等业者雀跃不已,但是Bluetooth的售价一直居高不下,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的物理层和媒体介入控制层。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz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、低数据速率、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之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据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,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技术的低数据速率和通信范围较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。
所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
二、IEEE802.15.4和ZigBee介绍
IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。
802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。
传感器网络是其主要市场对象。
2.1802.15.4协议架构及其技术特点
IEEE802.15.4满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。
它定义了单一的MAC层和多样的物理层(如图1所示),表1中概括了802.15.4的一些特点:
IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准,通过SSCS(Service-SpecificConvergenceSublayer,业务相关的会聚子层)协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准,同时允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层服务。
表2列出了IEEE802.15.4的LLC层和MAC层主要功能:
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
它们都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频),使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。
2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率,有助于获得更高的
吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。
868MHz是欧洲的ISM频段,915MHz是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。
868MHz的传输速率为20kb/s,916MHz是40kb/s。
这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。
表1中概括了802.15.4的一些特点:
2.2ZigBee技术概述
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的,有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。
它不仅只是802.15.4的名字。
IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
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。
完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。
网络层以上协议由ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
●应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上,具体而言
包括:
(1)安全与鉴权;
(2)多个业务数据流的会聚;
(3)设备发现;
(4)业务发现。
●网络层将主要考虑采用基于adhoc技术的网络协议,应包含以下功能:
(1)通用的网络层功能:
拓扑结构的搭建和维护,命名和关联业务,包含了寻址、路由和安全;
(2)同IEEE802.15.4标准一样,非常省电;
(3)有自组织、自维护功能,以最大程度减少消费者的开支和维护成本。
●相对于常见的无线通信标准,Zigbee协议套件紧凑而简单,其具体实
现的要求很低,以下是Zigbee协议套件的需求估计:
(1)8位处理器,如80c51;
(2)协议套件软件需要32kbytes的ROM;
(3)最小协议套件软件大约4kbytes的ROM;
(4)网络主节点需要更多的RAM,以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。
2.3整个协议构架
在标准制定的分工上,由ZigBeeAlliance与IEEE802.15.4的任务小组共同制定,其中实体层、MAC层、资料链结层,以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导,并共同针对ZigBeeProtocolStack的发展进行研讨,而未来还能依系统客户的需求,为不同应用修正其所需之应用介面(如图二所示):
2.4IPV6Over802.15.4
ZigBee联盟希望建立一种可连接每个电子设备的无线网。
它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术,到2007年将达到30亿节点。
具有几十亿个节点的网络将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间,但是ZigBee的路由选择不依赖于IPV6。
IPV6采用128位地址长度,几乎可以不受限制地提供地址。
按保守方法估算,IPv6实际可为整个地球的每平方米面积分配1000多个地址。
IPv6在设计过程中,除了一劳永逸地解决了地址短缺问题以外,还考虑了在IPv4中解决不好的其他问题,如端到端IP连接、服务质量(QoS)、安全性、多播、移动性、即插即用等。
因此,将IPV6和802.15.4的结合将是以后研究发展的方向,目前IETF也在积极的制定V6over15.4的Draft,其标准也不久将出台。
三、ZigBee技术的优势及应用
3.1ZigBee技术的主要优势及其与蓝牙和Wi-Fi的比较:
IEEE802.15.4和ZigBee从一开始就被设计用来构建包括恒温装置,安全装置和煤气读数表等设备的无线网络。
这是由其主要技术优势决定的:
1.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。
2.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。
3.成本低:
ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。
且免收专利费。
4.网络容量大:
每个ZigBee网络最多可支持255个设备。
5.时延短:
通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
6.安全:
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用AES-128加密算法。
7.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。
8.工作频段灵活:
使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。
与之相反,蓝牙技术基本上只是设计作为有线的替代品,经常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。
它可以在不充电的情况下工作几周,但无法工作几个月,更不用说几年了;
一般情况下,蓝牙设备需要人手配置和维护网络连接;它可以用来有效地处理8个设备(一个主设备和7个从设备),如果更多的话,通讯速率则显著下降。
Wi-Fi(WirelessFidelity,无线保真技术)与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。
该技术使用的使2.4GHz附近的频段,该频段目前尚属没用许可的无线频段。
其目前可使用的标准有两个,分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。
该技术由于有着自身的优点,因此受到厂商的青睐。
Wi-Fi技术突出的优势在于:
其一,无线电波的覆盖范围广,基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小,半径大约只有
50英尺左右?
约合15米?
而Wi-Fi的半径则可达300英尺左右(约合100米),办公室自不用说,就是在整栋大楼中也可使用。
最近,由Vivato公司推出的一款新型交换机。
据悉,该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300英尺(接近100米)的通信距离扩大到4英里(约6.5公里)。
其二,虽然由Wi-Fi技术传输的无线通信质量不是很好,数据安全性能比蓝牙差一些,传输质量也有待改进,但传输速度非常快,可以达到11mbps,符合个人和社会信息化的需求。
其三,厂商进入该领域的门槛比较低。
厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”,并通过高速线路将因特网接入上述场所。
这样,由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方,用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内,即可高速接入因特网。
也就是说,厂商不用耗费资金来进行网络布线接入,从而节省了大量的成本。
但它的功耗却非常高。
3.2可能应用及市场发展:
ZigBee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络,同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。
通常符合以下条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术:
1.设备成本很低,传输的数据量很小;
2.设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;
3.没有充足的电力支持,只能使用一次性电池;
4.频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;
5.需要较大范围的通信覆盖,网络中的设备非常多,但仅仅用于监测或控制。
根据ZigBeeAlliance的观点,一般家庭可将ZigBee应用于以下装置:
1.空调系统的温度控制器,灯光、窗帘的自动控制;
2.老年人与行动不便者的紧急呼叫器;
3.电视与音响的万用遥控器,无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具;
4.烟雾侦测器;
5.智慧型标签。
四、小结
本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4标准及其相关应用,讨论了它们的关系和相对其它技术的优点,并对其在家庭无线通信网中的应用前景进行了分析和展望。
ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身。
随着正式版本协议的公布,更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。
我们有理由相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活,并将极大地改善我们的生活方式和体验。
ZigBee芯片厂家对比
2008年04月12日星期六10:
27
一、ZigBee无线技术一鸣惊人
ZigBee是一种崭新的,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。
也是目前嵌入式应用的一个大热点。
ZigBee的特点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805的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee免协议专利费。
3低速率。
ZigBee工作在250kbps的通讯速率,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10~100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1~3km。
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
15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。
相比较,蓝牙需要3~10s、WiFi需要3s。
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65000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(AES-128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
8免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)(ISM)频段。
ZigBee在2004年推出2004(ZigBee1.0)的基础上,年前又推出了功能更加强大的ZigBee2006协议栈,增加了ZigBeePRO扩展指令集,功能更加强大。
据行家分析,ZigBee技术将在无线数传、无线传感器网络、无线实时定位、射频识别、数字家庭、安全监视、无线键盘、无线遥控器、无线抄表、汽车电子、医疗电子、工业自动化等方面得到非常广阔的应用。
目前有个口号“WIRELESSWHERE”要实现这个口号的目标,ZigBee技术的广泛应用可能是一个重要的前提。
正是因为ZigBee具有广阔的市场前景,所以引来了全球众多厂商的青睐,纷纷推出各种ZigBee无线芯片,无线单片机,ZigBee开发系统。
形成了百花争艳的市场局面,这种局面,对应降低芯片价格,丰富ZigBee技术的应用软件,加快ZIGBEE技术普及,是大有好处的事情。
在这众多的技术和厂商中,谁能够在激烈的竞争中胜出,目前网上很少有文章谈起,我们愿意出来抛砖引玉,谈谈我们的看法。
二、ZigBee斗法的交点在哪里?
由于ZigBee技术是目前嵌入式应用的大热门,所以目前全世界很多公司陆续投入这个市场,市场上各种ZigBee的技术方案五花八门、争奇斗艳。
但俗话说“外行看热闹,内行看门道”。
以我们比较专业的眼光看来,这其中主要的关键
如下:
1、争夺使用自己的微处理器
这是因为,每个方案的提供商(这里主要指是ZigBee芯片供应商),无不追求一个“利”字。
这些厂商为了推销自己的微处理器,想尽了一切办法。
他们千方百计的推销自己公司的硬件平台,自己的编译调试系统。
像FREESCAL公司推销的是自己的系列处理器,使用的是以68微处理器为核心的MC1321X单芯片系统。
EMBER公司,也是采用的自己的16BITRISC处理器。
TI也希望推销自己的CC2420+MSP430系统。
2、争夺使用自己的ZigBee协议栈
ZigBee技术的核心是几万行ZigBee/802.15.4C51源代码,这些源代码和ZigBee无线单片机内核配合,完成数据包装收发、校验、各种网络拓扑、路由计算等复杂的功能。
正是因为这个协议栈是ZigBee技术的核心,所以大家争夺激烈。
3、比拼芯片的最后成本
ZigBee是一个应用非常广泛的技术,就硅片而言,成本都非常低,关键在需要大量客户来进行广泛应用。
生产数量大,才能降低成本,所以大家一定要来拼芯片的价格,ZigBee未来目标芯片价格是低于一美元,这里谁能作到?
4、比拼开发工具(包括开发软件)的方便性和低价格
ZigBee是一项非常复杂的技术,开发工具和软件需要大量的人力和物力来开发,必然导致开发工具的昂贵。
那么谁的开发工具价格低,容易使用,软件丰富,谁就能争取到更多的客户支持,具有更大竞争力。
三、主要ZigBee芯片供应商ZigBee方案竞争能力比较
目前市场上主要ZigBee芯片提供商(2.4GHZ),主要有:
TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC(捷力)、FREESCALE、MICROCHIP。
目前ZigBee
技术提供方式有三种:
1)ZigBeeRF+MCU
TICC2420+MSP430:
CC2420被称为第一款满足2.4GHzZigBee产品使用要求的射频IC,拟应用于家庭及楼宇自动化系统、工业监控系统和无线传感网络。
CC2420基于Chipcon(已被TI收购)公司的SmartRF03技术,是用0.18μmCMOS工艺生产的。
CC2420采用7mm×7mmQFN48封装。
TI推出MSP430实验板,其部件号为MSP-EXP430FG4618。
该工具可帮助设计人员利用高集成度片上信号链(SCoC)MSP430FG4618或14引脚小型F2013微控制器快速开发超低功耗医疗、工业与消费类嵌入式系统。
该电路板除集成两个16位MSP430器件外,还包含一个TI(Chipcon产品线)射频(RF)模块连接器,以用于开发低功耗无线网络。
FREESCLAEMC13XX+GT60:
Freescale公司的MC1319x收发信机系列非常适用于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RFIC和MCU的串行外围设备接口(SPI),飞思卡尔系列中的几乎任何MCU都可以使用。
MICROCHIPMJ2440+PICMCU:
Microchip首个射频收发器MRF24J40是一个针对ZigBee协议及专有无线协议的2.4GHzIEEE802.15.4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,Microchip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IEEE802.15.4规范。
2)单芯片集成SOC
TICC2430/CC2431(8051内核):
CC2430也是TI公司的一个关键产品,CC2430使用一个80518位MCU内核,并具备128KB闪存和8KBRAM,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、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。
CC2430尺寸大约是7mm×7mm。
FreescaleMC1321X:
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。
该收发信机支持飞思卡尔的软件栈选项、简单MAC(SMAC)、802.15.4MAC和全ZigBee堆栈。
集成了MC9S08GTMCU和MC1320x收发信机,闪存可以在16~60KB的范围内选择。
MC13211提供16KB的闪存和1KB的RAM,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32KB的内存和2KB的RAM内存)和IEEE802.15.4MAC。
此外,MC13213(带有60KB的内存和4KB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4MHz(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。
EMBEREM250:
EM250半导体系统提供更长的距离和可靠的共存性,包括低功耗16位微控制器,128KB闪存,5KRAM,2.4GHz无线电和Ember公司的EmberZNet2.1软件。
EmberZNet2.1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
JENNICSOC+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产品为主,JN-5139整合了32-bitRISC微处理器,完全兼容2.4GHzIEEE802.15.4的送收器,192kROM,另外,可选择搭配RAM的容量从8KB至96KB(不同型号),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。
EMBER260+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OEM厂商提供。
这种处理器首次实现了具有"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(networksub-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。
主要几个公司按上述几方面分析如下:
A)微处理器
除了CC2430/CC2431外,其他四家公司都是采用自己的微处理器。
只有CC2430/CC2431采用标准的8051处理器。
因为:
8051微处理器诞生30多年,目前在国内最为普及。
大学中专,都有广泛的课程,各种参考书,到处都有。
开发软件KEI、IAR已被大家熟悉,用起来最顺手。
有言论说8051“老了”怕不能担当此重任,也有言论说会产生数字噪声,影响无线通讯…以专家的眼光看,这些都是没有科学依据的说法。
随着芯片科技的发展,今天的8051早已经脱胎换骨,只是片上系统(SoC)的一小部分,而且在低功耗、高速度、低噪声等方面,有了质的飞跃。
CC2430/CC243的8051内核经过特别设计,可以和2.4GHZ的ZigBee无线收发电路完美的配合工作,绝不会因为其8051内核的高速运行而对高频无线通讯有任何影响。
采用从8051对用户而言好处如下:
1、无需重新学习微处理器结构原理,无需重新熟悉编译/调试工具;
2、对片上系统的I/O,定时器,A/D,PWM,看门狗等等,也无需重新学习;
3、如果你没有单片机的基础,学起来也非常容易,也容易找到人请教、交流;
从技术眼光看,ZigBee技术的核心是软件。
如果MCU是8051,则ZigBee是由C51代码组成
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