深入淺出暢談Zigbee

   ZigBee采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其對等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)開發(fā)并管理。ZigBee Alliance是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過ZigBee擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對此進(jìn)行充分了解，而不是倉促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無線應(yīng)用領(lǐng)域。   

   ZigBee最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備CSMA/CA通道接入能力，并擁有802.15.4章節(jié)所述的所有功能。針對相同市場領(lǐng)域的情況下，相比之下ZigBee可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢，同時還提供眾多802.15.4標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級別網(wǎng)絡(luò)問題的解決方案。   

   ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)?，如圖3所示。與802.15.4類似，ZigBee支持對等通信與星型配置。ZigBee在802.15.4規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（具有相同PAN ID）以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?nbsp; 

圖1：ZigBee的網(wǎng)絡(luò)配置  

   這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的802.15.4FFD和RFD節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為FFD的ZigBee協(xié)調(diào)器將啟動網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee路由器也必須為FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。ZigBee協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時間接收和傳輸消息。如果預(yù)計應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則ZigBee也可以采用802.15.4同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA消息傳輸協(xié)議。ZigBee終端設(shè)備以RFD方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)采用電池供電并長期工作的目的。深圳無線龍推出的LBee系列Zigbee無線模塊更是讓Zigbee應(yīng)用變得簡單。  


ZigBee理想適用于具有下列要求的應(yīng)用： 

   ● 采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議(IEEE 802.15.4)； 

   ● 標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議（比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?，多跳等）?nbsp;

   ● 全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級別（公共配置文件）； 

   ● 設(shè)計與開發(fā)要求低（僅限于應(yīng)用）； 

   ● 技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競爭激烈。  


ZigBee可接受下列劣勢：  


   ● ZigBeel Alliance成員費(fèi)用； 

   ● 認(rèn)證費(fèi)用（如果不專門針對符合ZigBee或者ZigBee認(rèn)證的產(chǎn)品則無需此費(fèi)用）； 

   ● 代碼量（功能性的開銷可能大到難以使用）； 

   ● 無線電廣播通道限制（限于在IEEEl 802.15.4中指定的通道）。  


   上述所列各項表明需要對許多項目進(jìn)一步澄清，因此首先對標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與802.15.4相比，如圖4所示，ZigBee可向上實(shí)施至OSI無線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會話層。 

圖2：ZigBee的OSI網(wǎng)絡(luò)模型。  

   對802.15.4協(xié)議最突出的三項新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個功能強(qiáng)大的安全實(shí)施，以及應(yīng)用級抽象以在目標(biāo)市場領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與可互操作“應(yīng)用配置文件”的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性。  


   ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò)中確保分組交付的可選端到端確認(rèn)，ZigBee還定義了能夠圍繞故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現(xiàn)算法，這也稱為ZigBee的通信自愈能力。路由發(fā)現(xiàn)是一種可由任何路由器設(shè)備啟動并始終針對特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計算的原理是由于每個節(jié)點(diǎn)都一直保留著至所有相鄰設(shè)備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測量所接收信號的信號強(qiáng)度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計算網(wǎng)絡(luò)中每個路由的路由成本。  


   節(jié)點(diǎn)可以通過向其相鄰設(shè)備廣播針對特定目的地的路由請求(RREQ)數(shù)據(jù)包來請求路由發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收RREQ時，其就會向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應(yīng)廣播RREQ。這種情況將反復(fù)進(jìn)行，直至所有RREQ均到達(dá)目的地設(shè)備。然后目的地設(shè)備將選擇路由成本最低的RREQ數(shù)據(jù)包，并廣播路由回復(fù)(Route Reply)。當(dāng)RREP數(shù)據(jù)包返回至源地，所有中間節(jié)點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由錯誤(RERR)數(shù)據(jù)包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時，就會啟動新的路由發(fā)現(xiàn)。  


   ZigBee可實(shí)施廣泛的安全措施。ZigBee采用三種安全性密鑰，即用于長期安全性的主密鑰、加入網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰，以及用于對等通信的加密密鑰。采用AES-128位加密標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行加密。在檢驗(yàn)消息的完整性方面，ZigBee采用MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過使用協(xié)調(diào)器作為信任中心從單個節(jié)點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò)還能夠定期選擇對對稱加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)安全通信的無限管理。  


   不過，應(yīng)用級抽象可能是ZigBee最具有競爭力的特性?？梢詫γ總€節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達(dá)270個“端點(diǎn)”或者應(yīng)用。舉例來說，每個端點(diǎn)都可以代表一個電燈開關(guān)或者一個燈泡（燈泡01、燈泡02等）。每個端點(diǎn)可以接受任意類型的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任意類型的數(shù)據(jù)。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)有單個描述符，一般稱為群集(Cluster)。為繼續(xù)使用燈泡作為例子，假定被命名為“l(fā)ight_status_on_off”的燈泡開關(guān)狀態(tài)是這些稱為群集的數(shù)據(jù)描述符之一。然后，每個端點(diǎn)就可以根據(jù)端點(diǎn)ID(1-270)及其群集列表（接收或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型）進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對一或者一對多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開關(guān)可以與任一或者所有被描述為支持“l(fā)ight_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應(yīng)用級的一對一或者一對多綁定是ZigBee協(xié)議功能強(qiáng)大的特性。 

圖3：ZigBee的綁定表可用于即時控制更改。  

   如果ZigBee Alliance當(dāng)時定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應(yīng)用（如電燈開關(guān)/電燈泡等）指定標(biāo)準(zhǔn)，且無需擔(dān)心用于實(shí)施應(yīng)用的具體硬件。ZigBee Alliance正好已經(jīng)完成了這項任務(wù)，將這些標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)用配置文件，從而不僅使來自不同廠商的應(yīng)用能夠完全實(shí)現(xiàn)互操作性，而且還加強(qiáng)了ZigBee低功耗無線網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)市場領(lǐng)域的整體競爭性。  


   如果互操作性不是設(shè)計人員的主要意圖，ZigBee Alliance還可以讓設(shè)計人員定義不共享的企業(yè)專用型應(yīng)用配置文件。為簡明扼要，我們就不對ZigBee實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細(xì)討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會話故障的自動重加入和協(xié)議最新版本ZigBee 2007（也稱為ZigBee PRO）提供的系列附加特性。ZigBee PRO基本上仍屬于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)范疇，但在編輯時增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò)集成的特性。  


   采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的劣勢包括與開發(fā)ZigBee產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給ZigBee Alliance的成員費(fèi)用、認(rèn)證產(chǎn)品是否符合ZigBee的費(fèi)用以及協(xié)議本身的存儲器占用。ZigBee協(xié)議加載的特性很難在每項應(yīng)用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設(shè)計額外的存儲器資源。在某些情況下，對存儲器與資源的要求甚至可以限制到最終應(yīng)用級。因此，部分企業(yè)推出了具備集成MCU、預(yù)加載了ZigBee軟件協(xié)議棧的無線電廣播組件，其運(yùn)行則由少量API對另一個以應(yīng)用為中心的MCU的調(diào)用來控制。通過采用SPI通信來更新ZigBee芯片的配置，應(yīng)用MCU可以免受協(xié)議對存儲器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應(yīng)用任務(wù)。  

家庭安全網(wǎng)絡(luò) 

　　第二與第三個例子將顯示出，如果要求略有變動就會導(dǎo)致選擇不同的協(xié)議。本系統(tǒng)是一個在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網(wǎng)絡(luò)，因此重新布線會花銷太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運(yùn)動傳感器以及門禁控制感測(access control)等。每個傳感器都與基站通信，然后基站再與家庭安全監(jiān)控公司通信。該系統(tǒng)應(yīng)能夠與其它傳感器實(shí)現(xiàn)互操作性，舉例來說，從一家公司采購的煙霧檢測器可以配合另一家公司生產(chǎn)的運(yùn)動檢測器。該網(wǎng)絡(luò)必須具有高度安全性，以防竊聽或篡改。設(shè)計進(jìn)度安排能允許工程師有一定的學(xué)習(xí)時間，以加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計工作。深圳無線龍推出的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺，適合廣大的設(shè)計開發(fā)者做二次開發(fā)應(yīng)用。  


　　● 應(yīng)用方面的考慮事項： 

　　● 家庭安全網(wǎng)絡(luò)； 

　　● 煙霧檢測、玻璃破損、運(yùn)動檢測以及占用檢測等； 

　　● 基站必須向家庭安全監(jiān)控公司傳輸數(shù)據(jù)； 

　　● 用戶界面必須直觀易懂； 

　　● 需要遵循業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)； 

　　● 應(yīng)能夠從不同廠商技術(shù)之間的互操作性及其相關(guān)支持方面受益***； 

　　● 穩(wěn)健性與可靠性； 

　　● 關(guān)鍵的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)； 

　　● 系統(tǒng)必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽； 

　　● 易用性； 

　　● 需要標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)可靠性與安全性***； 

　　● 計劃在總體的家庭自動化網(wǎng)絡(luò)中集成家庭安全性應(yīng)用； 

　　● 愿意花時間學(xué)習(xí)與充分利用更復(fù)雜的API； 

　　● 硬件與RF方面的考慮事項； 

　　● 大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用電池供電。  


   本例中的最終結(jié)果應(yīng)選擇使用ZigBee，因?yàn)椴粌H需要與不同廠商提供的設(shè)備互操作，還要確保滿足標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性與安全性要求。