深入淺出暢談Zigbee
關鍵字：Zigbee Zigbee技術 Zigbee應用 深圳無線龍 TI
ZigBee采用802.15.4标準作為其對等通信的基礎。該标準由ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)開發并管理。ZigBee Alliance是一家投資于該标準并在無線領域進行推廣的聯合組織，并且日益為業界所關注。不過ZigBee擁有自己獨特的應用功能，使用者應對此進行充分了解，而不是倉促地将其應用于所有的低功耗無線應用領域。
ZigBee最常用作異步通信标準，其具備CSMA/CA通道接入能力，并擁有802.15.4章節所述的所有功能。針對相同市場領域的情況下，相比之下ZigBee可為尋求準擔保資訊傳遞、大規模輕松網絡內建以及裝置間互操作性的開發人員提供衆多優勢，同時還提供衆多802.15.4标準不能直接解決的較進階别網絡問題的解決方案。
ZigBee網絡的實施有三種拓撲，如圖3所示。與802.15.4類似，ZigBee支援對等通信與星型配置。ZigBee在802.15.4規範之上添加了路由協定與層級網絡尋址方案，可實作群集樹拓撲結構（具有相同PAN ID）以及多跳網狀網絡拓撲。
圖1：ZigBee的網絡配置
這些拓撲結構均由可實作三種邏輯抽象功能之一的802.15.4FFD和RFD節點提供支援。必須為FFD的ZigBee協調器将啟動網絡和管理網絡連接配接與安全密鑰等大多數網絡參數，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee路由器也必須為FFD，負責轉發往返于其他網絡節點的消息，并實作ZigBee網絡的網狀網特性，同時擴充網絡的總體覆寫範圍。ZigBee協調器與路由器一般由主電源供電，因為它們應能夠在任何時間接收和傳輸消息。如果預計應用的資料傳輸是周期性的，則ZigBee也可以采用802.15.4同步網絡的TDMA消息傳輸協定。ZigBee終端裝置以RFD方式實施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，進而實作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無線子產品更是讓Zigbee應用變得簡單。
ZigBee理想适用于具有下列要求的應用：
● 采用标準化的實體層與較低層協定(IEEE 802.15.4)；
● 标準化的較高層協定（比如網狀網拓撲，多跳等）；
● 全面互操作性，甚至達到應用層級别（公共配置檔案）；
● 設計與開發要求低（僅限于應用）；
● 技術支援與維護廠商/供應商之間競争激烈。
ZigBee可接受下列劣勢：
● ZigBeel Alliance成員費用；
● 認證費用（如果不專門針對符合ZigBee或者ZigBee認證的産品則無需此費用）；
● 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一步澄清，是以首先對标準化的較高層協定進行描述。與802.15.4相比，如圖4所示，ZigBee可向上實施至OSI無線應用網絡模型的傳輸層，甚至能夠達到部分會話層。
圖2：ZigBee的OSI網絡模型
對802.15.4協定最突出的三項新特性是網狀網路由算法，一個功能強大的安全實施，以及應用級抽象以在目标市場領域中實作裝置與可互操作“應用配置檔案”的強大關聯性。
ZigBee網絡的網狀網路由算法使其成為網絡上終端裝置之間資料傳遞的極可靠方式。除了能夠在網絡中確定分組傳遞的可選端到端确認，ZigBee還定義了能夠圍繞故障節點進行通信的路由發現算法，這也稱為ZigBee的通信自愈能力。路由發現是一種可由任何路由器裝置啟動并始終針對特定目的地執行的最短路徑算法。計算的原理是由于每個節點都一直保留着至所有相鄰裝置的“連結成本”記錄，其中連結成本是測量所接收信号的信号強度。累加沿路由所有連結的連結成本就可得出“路由成本”，并可計算網絡中每個路由的路由成本。
節點可以通過向其相鄰裝置廣播針對特定目的地的路由請求(RREQ)資料包來請求路由發現。每當某節點接收RREQ時，其就會向路由成本累加其連結成本，然後再相應廣播RREQ。這種情況将反複進行，直至所有RREQ均到達目的地裝置。然後目的地裝置将選擇路由成本最低的RREQ資料包，并廣播路由回複(Route Reply)。當RREP資料包傳回至源地，所有中間節點将更新它們的路由表，訓示通往目的地的路由。這樣，節點可丢失至下一跳的連接配接，并向網絡發送路由錯誤(RERR)資料包，以便在下一次有人試圖向其發送消息時，就會啟動新的路由發現。
ZigBee可實施廣泛的安全措施。ZigBee采用三種安全性密鑰，即用于長期安全性的主密鑰、加入網絡的網絡密鑰，以及用于對等通信的加密密鑰。采用AES-128位加密标準執行加密。在檢驗消息的完整性方面，ZigBee采用MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過使用協調器作為信任中心從單個節點管理所有安全性，網絡還能夠定期選擇對對稱加密密鑰進行更新，進而實作安全通信的無限管理。
不過，應用級抽象可能是ZigBee最具有競争力的特性。可以對每個節點進行彙編以容納多達270個“端點”或者應用。舉例來說，每個端點都可以代表一個電燈開關或者一個燈泡（燈泡01、燈泡02等）。每個端點可以接受任意類型的資料，也可以發送任意類型的資料。從某端點輸出到另一端點的輸入資料有單個描述符，一般稱為群集(Cluster)。為繼續使用燈泡作為例子，假定被命名為“light_status_on_off”的燈泡開關狀态是這些稱為群集的資料描述符之一。然後，每個端點就可以根據端點ID(1-270)及其群集清單（接收或者傳輸的資料類型）進行描述。在群集比對的情況下，就可以進行一對一或者一對多端點的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開關可以與任一或者所有被描述為支援“light_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應用級的一對一或者一對多綁定是ZigBee協定功能強大的特性。
圖3：ZigBee的綁定表可用于即時控制更改
如果ZigBee Alliance當時定義了群集清單和解釋端點間群集流的方法，就可以為特定應用（如電燈開關/電燈泡等）指定标準，且無需擔心用于實施應用的具體硬體。ZigBee Alliance正好已經完成了這項任務，将這些标準稱為應用配置檔案，進而不僅使來自不同廠商的應用能夠完全實作互操作性，而且還加強了ZigBee低功耗無線網絡目标市場領域的整體競争性。
如果互操作性不是設計人員的主要意圖，ZigBee Alliance還可以讓設計人員定義不共享的企業專用型應用配置檔案。為簡明扼要，我們就不對ZigBee實施的其他特性進行詳細讨論了，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定最新版本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标準範疇，但在編輯時增加了用于優化支援超大網絡內建的特性。
采用ZigBee協定進行産品設計的劣勢包括與開發ZigBee産品相關的成本：按年支付給ZigBee Alliance的成員費用、認證産品是否符合ZigBee的費用以及協定本身的存儲器占用。ZigBee協定加載的特性很難在每項應用中都得到充分利用，進而在定制解決方案的情況下需要設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用級。是以，部分企業推出了具備內建MCU、預加載了ZigBee軟體協定棧的無線電廣播元件，其運作則由少量API對另一個以應用為中心的MCU的調用來控制。通過采用SPI通信來更新ZigBee晶片的配置，應用MCU可以免受協定對存儲器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應用任務。
家庭安全網絡
第二與第三個例子将顯示出，如果要求略有變動就會導緻選擇不同的協定。本系統是一個在已裝修好的家居環境中安裝的家庭安全網絡，是以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，然後基站再與家庭安全監控公司通信。該系統應能夠與其它傳感器實作互操作性，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産的運動檢測器。該網絡必須具有高度安全性，以防竊聽或篡改。設計進度安排能允許工程師有一定的學習時間，以加快網絡協定的設計工作。深圳無線龍推出的Zigbee無線傳感器網絡開發平台，适合廣大的設計開發者做二次開發應用。
● 應用方面的考慮事項：
● 家庭安全網絡；
● 煙霧檢測、玻璃破損、運動檢測以及占用檢測等；
● 基站必須向家庭安全監控公司傳輸資料；
● 使用者界面必須直覺易懂；
● 需要遵循業界标準；
● 應能夠從不同廠商技術之間的互操作性及其相關支援方面受益***；
● 穩健性與可靠性；
● 關鍵的設計标準；
● 系統必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽；
● 易用性；
● 需要标準化的實施方案實作可靠性與安全性***；
● 計劃在總體的家庭自動化網絡中內建家庭安全性應用；
● 願意花時間學習與充分利用更複雜的API；
● 硬體與RF方面的考慮事項；
● 大多數網絡裝置都采用電池供電。
本例中的最終結果應選擇使用ZigBee，因為不僅需要與不同廠商提供的裝置互操作，還要確定滿足标準化的可靠性與安全性要求。
深圳市無線龍電子有限公司 邱先生
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