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ZigBee规范与系统设计需求剖析

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作者:特约撰稿人 欧敏铨时间:2007-06-29来源:电子产品世界

无线技术在人们的生活中愈来愈重要,目前市场上的焦点技术包括Wi-Fi、3G/HSDPA、WiMAX、UWB、蓝牙等等,这些技术都与人们直接存取数据的应用有关,例如上网、下载影音文件或拨打电话。不过,有另一类无线应用也正在快速的发展中,此类应用与人们的使用虽不一定直接相关,但对生活的便利性也有相当大的帮助。

这就是所谓的无线传感或控制网络,其应用领域非常广,只要是具有控制或传感功能的电子设备,在加入无线通讯功能后,再结合适当的网络拓朴机制,就能组成具有自动控制、传感及监控等功能的电子设备网络系统,例如可用于家庭看护监控、入侵监控、家电自动化、工厂作业监控、资产出货管理及环境监测等等。

这种网络系统有一些特性,与我们常用的网络很不相同,这些特性大致整理如下:
*它们只需传输有限的数据,因此不会要求高速的带宽;
*无线收发器的传输距离不需太远,但要能与邻近节点形成可靠的网络;
*这类装置通常使用电池做为电源,而且需要有长时间的使用寿命,因此必须是非常省电的设计;
*这类装置的尺寸通常很小,因此内部的元件集成度要高;
*它们的使用环境可能极为严苛,所以耐用性要求甚高;
*网络布建的规模可能很大,因此建置及设备成本不能太高;
*在建置上需考虑节点及通讯网路在故障状况下的容错性。

能满足这些条件的无线技术并不多,正是专为此类应用而规划的技术,以下将介绍的重要技术规格及系统架构。

底层技术:IEEE 802.15.4

ZigBee是由ZigBee Alliance所制定的无线网络协议,此联盟是由50多家公司联合起草的,目前加入的公司已有大约200家,他们来自半导体业、软件开发商、终端产品制造商和服务供货商,其中一些来自电信业。会员中虽然有很多国际知名的厂商,但目前并没有真正能主导市场或技术发展的厂商。ZigBee的第一个公开版本(ZigBee V1.0)于2005年6月底公布,在2006年12月又制定了V1.1的新版本,此版本又称为ZigBee 2006;从发布至今,市场上有超过30个兼容的平台。下一版V1.2正在如火如荼的制定中,预定在今年年中会公布,此版本又称为ZigBee Pro或ZigBee 2007。

图1  ZigBee节点结构模型

ZigBee规范是专为大型网络而设计的,它最多能支持65536个网络节点。它的底层采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层(MAC)及物理层(PHY),能够满足无线控制及传感应用所需要的低传输率、低功耗、支持大量网络节点等条件。在无线射频部分,IEEE 802.15.4支持2.4GHz(2450MHz)和868/915MHz两个频段,其中2.4GHz频段中可提供250kbit/s的物理层数据传输率,以及16个不同的信道;868/915MHz频段中,868MHz支持1个数据速率为20kbit/s的信道,915MHz支持10个数据速率为40kbit/s的信道。针对2.4GHz频段,802.15.4采用Offset QPSK调变技术,并在868/915MHz的频段采用BIT/SK,此做法能让功耗降到最低,也能减少设计复杂度。此外,它也导入直接序列扩频(DSSS)技术,DSSS采用全频带传送数据,使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率,以有效控制噪声。ZigBee工作在IEE802.15.4规范的ISM频段,在欧洲是868MHz,在美国是915MHz,在其他国家主要是使用2.4 GHz频段。至于MAC层方面,802.15.4规范了相邻设备间单跳数据通讯的规则,它负责设立与网络的同步,支持关联和去关联以及MAC层安全:它能提供两个设备之间的可靠链接。

ZigBee协定

再来看看ZigBee协定。它的协议层从下到上分别为物理层(PHY)、媒体存取层(MAC)、网络层(NWK)和应用层(APL)等。网络装置的角色可分为ZigBee 协调器(Coordinator)、ZigBee Router、ZigBee EndDevice等三种。它支持星状(Star)、网状(Mesh)和网状-树状(Mesh-tree)三种网络拓朴。其中星状网络最单纯,所有的信息都会路由到协调器,由协调器来发起一个网络、设定各项网络参数,并分派网络地址,这和网络集线器(hub)的架构很相似。

图2  ZigBee协议层结构

1. 拓朴架构

ZigBee网状网络是AODV(Ad hoc On-Demand Distance Vector routing)技术的修改版本,它使信息在节点之间传递,即便任何节点失效或掉线,数据仍能到达目的地,因此具有最佳的可靠性。协调器只需启动这个网络,建立后,就不用担心因某一点故障而造成网络不通。当有更多的收发器或节点加入,就会形成更密集的网络,进而提升其可靠度。

图3  各种网络拓扑

Mesh-tree网络则采用C-Skip算法,也就是依协调器、路由器和终端器的角色来决定节点的布局。每个路由器都知道自己的下属节点,当它收到讯号时,会使用一套公式来决定如何传送这个信息。纯粹的树状网络本身并不可靠,因为连结随时可能会中断,加入Mesh的功能就能自我修复中断的连结。

2. 应用层规范

与产品使用紧密相关的,则是应用层的设计。ZigBee应用层包含应用程序支持子层(APS)、应用程序架构(AF)、ZigBee装置管控对象(ZDO)与各厂商定义的应用程序对象。此外,ZigBee还定义了应用规格(Application Profile),它针对各种不同的应用情境定义出概略的行为蓝图,让特定应用中采用此规格的装置之间能够互相操作,例如只要家庭控制照明(Home Control Lighting, HCL)的应用规格,不同厂商的灯光开关也能用来控制各种的照明灯具。

为了保证产品之间的互操作性,目前有7个次团体正在制定ZigBee的公用规格(Public Profile),一些有趣的应用领域及ZigBee解决方案包括:货物运送的资产管理、家庭看护监控、商用照明控制、旅馆空调系统(HVAC)能源管理、先进电表平台等。所有采用ZigBee公用规格的认证合格产品,都可以在此产品上使用ZigBee语言和标志。设备制造商也可以在公用规格之上加入额外的功能,以让他们的产品显得独特和具有加值性。此外,厂商也可以自己设计专属的规格,也就是在ZigBee兼容平台之上开发专属性的产品。目前ZigBee联盟提供三大测试项目,分别是ZigBee兼容性平台、ZigBee认证(ZigBee Certified)和ZigBee网络支持(ZigBee Network Capable)。

ZigBee系统需求

ZigBee节点往往仅需要一对AA电池就能工作大约一年甚至许多年,因此它的功耗必须很低,其软、硬件技术架构自然不能太过复杂。以网络协议栈来说,相较于802.11动辄需要1MB以上的程序内存,ZigBee对程序代码的空间需求很低,通常只需32KB至70KB,因此非常适用于无线控制及传感节点的单纯设计架构。

图4  ZigBee系统示意

除了无线的部分,在硬件架构上,目前业界与学界已发展出多套适合的硬件系统,包括:BTnode rev2/rev3、Imote/Imote2、Mica/Mica2/Mica2Dot/MicaZ、WiseNet等;常被采用的处理器则包括:ARM7、Atmel AVR、Xscale、Intel 8051、PIC、TI MSP430等。这类系统皆具有低成本、低功耗和微小化的特性。在软件方面,ZigBee协议必须执行在适当的嵌入式操作系统或实时操作系统(RTOS)之上。此类操作系统不需要如PC操作系统一般支持复杂的应用程序及使用者接口;由于在内存映像硬件支持上的限制,此类操作系统也不需或无法建置虚拟内存(virtual memory)的机制。

此外,由于无线控制及传感网络中最耗电的动作是数据的传送,因此这类软件需采用特殊的算法,通常是使用多点跳跃(multi-hop)的传送方式,也就是从一个节点传到另一个节点,一直往基地台的目的地传送,进而能将单次的传输功耗降到最低。

另一个重要的设计机制是为节点加入休眠功能,也就是当设备不需传感、控制或传送数据时,就让此节点进入休眠的模式。但开关收发器(亦即进入睡眠状态或结束睡眠状态)也会造成不小的功率损耗,因此如何安排节点的休眠时间表(scheduling)也成为一项重要的研究课题。

结语

以电子设备为中心的网络规模其实是远远大于以人为中心的信息及娱乐性网络。在家庭、办公室、工业环境、医疗院所等等地方已使用了太多的电子设备,而另一种以传感用途为主的设备也开始广为布建,当这些节点具备了网络连结与控制的能力,将对人类的生活产生极为巨大的影响。

从温度、湿度、照明、运动到影像,各种想得到的传感组件都已出现商业化的产品。利用这些传感器建立起的无线传感网络,具有监控、追踪和控制等基本功能,用得到的场合难以尽数,例如住宅监控、对象追踪、核反应堆控制、火警侦测、交通流量监控等等。ZigBee为这些应用提供了极为理想的无线传输基础,然而应用上的落实还在起步阶段。除了ZigBee之外,还有多项竞争性的技术在发展中,例如强调比ZigBee更精简的Z-wave,蓝牙的精简版Bluetooth Lite及互补的Wibree,其中Wibree由Nokia主导,强调能提供十倍于蓝牙的效率,其输出功率将只有-6dBm。这些技术的竞争对于市场发展有良性的帮助,而且此应用领域太广了,不同的技术可能适合于特定的应用领域。



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