引言

對于嵌入式系統(tǒng)應用，往往需要相互間的通信，以交換測量數(shù)據(jù)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(wǎng)絡通信技術的發(fā)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(guī)范（或采用自己的專用標準）來制定mac層、鏈路層和網(wǎng)絡層的通信協(xié)議，不具備兼容性；對通信的控制軟件完全依賴目標系統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)絡通信技術標準，它出現(xiàn)的時間較短，2004年底才由zigbee聯(lián)盟發(fā)布了1.0版本規(guī)范，尚未進入大規(guī)模的商業(yè)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(lián)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(fā)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(fā)現(xiàn)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?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“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(wǎng)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(qū)域網(wǎng)）協(xié)議標準，但在此基礎上進行了完善和擴展。其網(wǎng)絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范（api）由zigbee聯(lián)盟進行了制定，整個協(xié)議架構如圖1所示。

zigbee是以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡，因此、每個節(jié)點的功能并非都相同。為降低成本，系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點，從組網(wǎng)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(jié)點，負責與所控制的子節(jié)點通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)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(xié)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(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍牙能工作數(shù)周、wifi可工作數(shù)小時。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)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(jié)點需要32kb代碼，子功能節(jié)點少至4kb代碼，而且zigbee免協(xié)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(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)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(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)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(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)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(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理；最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

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(shù)據(jù)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(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)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(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)。根據(jù)設想，它的應用目標主要是：工業(yè)控制（如自動控制設備、無線傳感器網(wǎng)絡），醫(yī)護（如監(jiān)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(yōu)勢的地方：

①需要無線通信交換信息的低成本裝置；

②數(shù)據(jù)的交換量較小、傳輸?shù)乃俾室蟛桓撸?/p>

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(wǎng)絡，主要進行監(jiān)測和控制的場合。

依據(jù)zigbee的聯(lián)盟和參與聯(lián)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(xié)議棧將zigbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作已完全由產品實現(xiàn)，用戶只需要根據(jù)協(xié)議提供的標準接口進行應用軟件編程。由于協(xié)議棧的簡化，完成zigbee協(xié)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(tǒng)級射頻收發(fā)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(shù)轉換器（adc），定時器、aes－128協(xié)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(wǎng)絡節(jié)點，包括協(xié)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(fā)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(wǎng)狀網(wǎng)絡，并在一個配套的mcu上實現(xiàn)zigbee的協(xié)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(fā)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(wǎng)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(wǎng)狀和多次跳接（multihop）無限網(wǎng)絡內支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達38.4kbps。

可以看出，一些國際著名的半導體廠商已在積極推出zigbee產品，有望在今后一段時間通過商業(yè)化推進，使zigbee產品應用得到極大擴展，但同時，也有一些rf廠商在發(fā)展自己的專有產品，如zensys公司就積極推進它的z－wave無線協(xié)議，尤其在家庭自動化領域與其爭奪市場；另外，dust公司堅持使用自己的技術；ember公司雖然大舉進軍zigbee領域，但也計劃繼續(xù)提供自己的專有embernet技術?？梢哉f，zigbee的應用并非一片坦途，需要zigbee聯(lián)盟及廠商的持續(xù)努力和市場的廣泛認同。

2 與其他幾種無線通信技術的比較

目前，市場上近距離無線通信技術主要有無線局域網(wǎng)wifi、藍牙和一些專用標準（如ad－h(huán)oc網(wǎng)等）的產品。一些大公司為開拓市場和應用領域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術標準，如無線（usb、超寬帶通信uwb和wimax等，下面對這些技術作一些簡要介紹和比較。

藍牙技術發(fā)展從1999年起已經(jīng)歷了多個年頭，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。目前主要應用在無線耳機等不需要很高傳輸帶寬的領域，且互通性方面也存在問題。

wifi在intel的大力支持下，借迅馳處理器迅速占領市場；采用ieee802.11b標準，使用2.4ghz直接序列擴頻，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為11mbps，并可根據(jù)信號強弱把傳輸率調整為5.5mbps、2mbps和1mbps帶寬；采用最新的802.11g時，速率可達54mbps，是目前應用最廣的無線網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。

借助usb在pc上的廣泛應用，無線usb也受intel、hp、微軟等幾家pc領域大公司的力推，已于近期制定了無線usb規(guī)范。使用wimedia聯(lián)盟的mb－ofdm超寬帶mac和phy層，通信距離在3～10m，最高速率在480mbps，有望短期內在pc周邊設備的無線連接上得到大量應用。

uwb是一種未來短距離寬帶無線傳輸技術。由于未采用通常無線收發(fā)中的載波調制技術，因此它不需要混頻、過濾和射頻/中頻轉換模塊，實現(xiàn)了低成本、低功耗和高帶寬性能。目前有兩大技術陣營競爭技術標準，預期的通信距離5～10m，速率甚至可高達1gbps，非常適合于家用消費電子產品之間的大容量數(shù)據(jù)傳輸。

作為wifi下一代技術的wimax，被設想成一項無線城域網(wǎng)接入技術，在傳輸距離和速度方面均勝過wifi，最高接入速率為70mbps，信號傳輸半徑可達到50km，圖4是以上幾種無線通信技術的速率/距離比較。

從圖4中看，主要無線技術都集中在1mbps以上的速率，新的標準還在追求更快的速率；而zigbee恰恰是填補低速率端無線通信技術的空缺，與其他標準在應用上幾乎無交叉。在實際應用環(huán)境中，低速率、低成本的無線通信在自動控制、無線傳感器網(wǎng)絡、家居自動化等諸多領域更貼近日常生活，同樣具有廣泛的市場。從現(xiàn)今的市場看、每一種無線通信技術的產品都有各自的一些特點，或在距離、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段時間內，雖然會有一些競爭，但仍會有多種無線通信技術的產品在市場上共存。

結語

無線組網(wǎng)通信是當今工業(yè)控制、計算機應用、家庭自動化等方面技術發(fā)展的一個熱點，而低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡要求令zigbee應運而生；高度集成化的軟、硬件架構和產品，也使應用人員如虎添翼，更快、更方便地進行最終產品設計。這些顯示出zigbee具有超強的生命力和優(yōu)勢，應用前景十分看好，值得廣大嵌入式應用的技術人員關注，并加入到它的應用行列。