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掌握技术原理与协议特性 开创ZigBee杀手应用

802.15.4/ZigBee是一种适当新颖的短距离传输技能规范,系从家用无线通讯规范HomeRF联盟中所分出来的技能,在2002年树立的ZigBee联盟(ZigBee Alliance),包罗有IC描绘、家电、通讯设备、玩具等厂商相继参加,首要的推行厂商有ChipconEmber、飞思卡尔(Freescale)Honeywell、三菱(Mitsubish)、摩托罗拉(Motorola)、飞利浦(Philips)以及三星(Samsung)。而台湾方面则有资策会、工研院、达盛、义隆、华邦等公司参加会员。好像ZigBee AllianceLogo所出现,ZigBee Alliance是以感测与操控为首要运用方向,界说出简略、本钱低、又简略完结的无线通讯规范,日前则正式推出了ZigBee1.1版的最新规范,而ZigBee Alliance也揭露ZigBee规范文件的下载,无非是期望加快商场的开发,防止步入HomeRF的后尘。

虽然当前全体商场规模没有彻底成形,但国外现已有许多厂商竞相投入;国内厂商关于ZigBee技能则照旧适当生疏,技能开展上好像还有许多尽力空间,因而本文将和读者共享802.15.4/ZigBee技能规范,并对如今国内外ZigBee技能现况做引见,最终关于将来的开展趋势提出观点。



包括802.15.4ZigBee两种通讯规范



ZigBee一词源自于蜜蜂(Bee),系因蜜蜂看似随意在跳的Z字形舞蹈,实际上是将有花和蜂蜜的方位消息,正确传达给其它蜜蜂,而ZigBee正具有类似的通讯才干,将消息传递给其它ZigBee设备。但严格说来,ZigBee包括了两种不相同单位所拟定的通讯规范,一个是ZigBee,由ZigBee Alliance所主导的规范,界说了网络层(Network Layer, NWK)、安全层(Security
Layer)
、运用层(Application Layer, AP)以及各种运用产物的设定文件(Profile),而别的一个则是界说了实体层(PHY Layer)以及媒体存取层(MAC Layer),是由世界电子电机工程协会(IEEE)所拟定的802.15.4规范。而两种规范的联系,可以幻想成是TCP/IP802.11的关联性。



IEEE 802.15.4规范PHYMAC的界说



802.15.4的实体层采直接序列展频(Direct Sequence Spread
Spectrum)
技能,运用此技能的意图,在于可下降模仿电路在开发上的复杂度与本钱。其传输速率介于250kbps20kbps之间,视所用频段而定,频段的运用别离是2.4GHzISM频段、欧洲敞开的868MHz频段,以及美国敞开的915MHz频段,而不相同频段可运用的通道(Channel)别离是16101(1)



802.15.4的媒体存取层,界说了两种传输形式,一种是同步形式(Beacon
Mode)(
2),别的一种是异步形式(Non-Beacon Mode)(3),异步形式简略来说就是直接运用CSMA-CA的协议,防止传输磕碰,而同步形式,则是802.15.4比拟特别的规范。



从别的一个视点看,IEEE 802.15.4界说了两种设备,完好功用设备(Full
Function Device, FFD)
,可以担任网络和谐者(WPAN
Coordinator)
构成网络,让其它的FFD或是精简功用设备(Reduced Function Device, RFD)衔接(Associate)。当网络是以同步形式在传递数据时,Coordinator就会守时发送信标(Beacon),因而,同一个网域内(WPAN)一切的设备都有必要以这个信标当作同步。信标与信标之间,又分为16个时刻区间(Time Slot),在一般景象之下,任何设备仍是得运用CSMA-CA协议,互相竞赛,在任何时刻内收送数据,并不受时刻区间影响,就好像异步传输形式(4)



不过,在802.15.4的特别规范之下,事实上,又可细分为两种传送状况,竞赛存取时段(Contention
Access Period)
,与非竞赛时段(Contention Free Period)(5),在竞赛存取时段,任何设备照旧运用CSMA-CA协议,互相竞赛,也就是说在同一个时刻区间,能够会有两个以上的设备收送数据;反之,若透过Coordinator的答应,在非竞赛时段里分配到包管时段(Guaranteed
Time Slot, GTS)
,根本上只需时刻一到,设备就可以把数据送出去了,不需要运用CSMA-CA,并且这个时刻区间内只会有一个设备被答应传递数据。所以GTS的概念有点QoS的滋味,供给较安稳的传输频宽,在这段时刻,不会有其它设备来竞赛频宽。GTS的时刻长短,则是由其它的FFD或是RFDCoordinator需要,由Coordinator来决议与分配,并且最多只能有7个设备运用GTS。而哪一个设备,运用哪各时段的时刻区间,Coordinator会藉由信标发布,因而一切设备都可以藉由同步信标获得体系的传输状况。不过,当前市面上芯片厂所供给的MAC大多只要异步功用。



除了拟订点对点传输的协议外,802.15.4也界说根本的网络架构。根本上一个网络的构成,有必要由FFD首先担任网络和谐者树立网络(Formation),在由其它的FFD或是RFD参加这个网络,不过RFD则只能和FFD衔接。所以由点对点的衔接办法,再逐步扩大成为其它的拓墣架构(Topology),如随意网拓朴(Mesh Networking Topology)、丛集网络拓朴(Cluster
Networking Topology)
等。透过多重跳动(Multi
Hop)
的办法,使同一个网络中任一设备,都可与其它设备交流。



ZigBee界说网络/运用/安全层的规范



依据IEEE 802.15.4的规范,ZigBee
Alliance
界说网络层、运用层与安全层规范。NWK最重要的作业,在于担任网络机制的树立与办理,并具有自我组态路由途径(Self Configure),以及自我修复路由途径(Self
Healing)
的功用。在NWK中,ZigBee界说了三种人物,榜首个是网络和谐者,担任网络的树立(WPAN
Formation)
,以及网络方位(Network Address)的分配;第二个是路由器(Router),首要担任找寻、树立,以及修复数据封包路由途径(Routing
Path)
,并担任转送材料封包;最终一个是结尾设备(End
Device)
,只能挑选参加他人现已构成的网络(WPAN),可以收送材料,但不能帮助转送封包(Routing)



网络功用是ZigBee最重要的特色,也是与其它WPAN规范最不相同的当地。依据规范,NWK16bits的数据长度来办理网络方位,因而理想上,在同一个WPAN,可以存在65,536ZigBee设备,互相透过多重跳点(Multi Hop)的办法传递信息。而为了从省电、复杂度、安稳性与完结难易度等要素获得一个平衡点,NWK的路由算法,共运用了下列三种办法,以AODV算法树立随易网络的拓墣架构(Mesh Topology, ZigBee规范中称为Table Routing);以Motorola
Cluster-tree
算法的办法树立星状的拓墣架构(Star Topology, ZigBee规范中称为Tree Routing);以及运用播送的办法传递数据(6)。当前802.15.4的同步传输(Beacon Mode)规范,无法撑持ZigBee一切网络层的特性,因而大多的芯片厂现阶段只供给异步传输的MAC,所以将来新版的ZigBee规范,以及802.15.4a都将对准这样的状况调整。

关于运用层,首要有三个部份,与网络层衔接的APS(Application Support)ZDO(ZigBee
Device Object)
以及设备运用ProfileZigBee的运用层架构,现已涵盖了效劳(Service)的观念,所谓的效劳,简略来看就是功用,例如ZigBee台灯有个可以调整灯火明暗的功用,就表明将来会供给这样的效劳,而ZDO里的端点(Endpoint),就代表这个设备的效劳,将来透过这个窗口,这个设备就可以供给效劳给他人运用(ZigBee台灯)或是运用他人的效劳(ZigBee台灯遥控器),所以Endpoint很类似Socket的人物。关于ZigBee设备而言,当参加到一个WPAN后,运用层的ZDO会发起一系列初始化的举措,先透过APS做设备搜索(Device Discovery)以及效劳搜索(Service
Discovery)
,然后依据事前界说好的描绘信息(Description),将与本人关联的设备或是效劳,记录在APS里的衔接表(Binding Table)中,之后,一切效劳的运用,都要透过这个衔接表来查询设备的数据。而设备运用Profile则是依据不相同的产物而描绘出不相同的描绘信息(Description),以及ZigBee各层协议的参数设定。当前ZigBee Alliance只界说出Home ControlLighting
Control
Profile(7)  而安全层则在MACNWKAP层都描绘了类似的加解密安全机制。在最新的规范里,需要各层协议运用所谓的CCM安全机制,CCM就是CTR(Counter Mode)CBC-MAC(Cipher
Block Chaining Mode)
的缩写,CTR是加解密的算法,CBC-MAC是查看数据有无被篡改的算法,关于这些算法所运用的functionE802.15.4ZigBee都挑选了AES的办法来完结,挑选AES的缘由应该是考虑到在核算才干不强的平台上较简略完结,而如今大多数的RF芯片,会参加AES的硬件加快电路,加快安全机制的处置。有关金钥(KEY)的部份,在MAC层有一个表格,寄存AES能够运用的金钥,所以这些金钥是设备在设守时就要事前设好,而NWK层与AP层的金钥,则是设备在参加网络时,由ZDO宣告一个需要,由Trust Center(一般会由Coordinator担任)分配得到。  安全层的规范,除了界说加解密的算法与金钥的设定之外,一起也界说了许多安全办理的机制,例如,Trust Center担任金钥的分配、传输以及切换,或许,当有新的设备参加网域前,也都有必要先经过Trust Center的答应,才干参加。  ZigBee解决方案开展现况  ZigBee Alliance的成员中,有不少是供给ZigBee解决方案的业者,其间可大致分类为ZigBee芯片组(Chipset)、硬件模块(Module)、通讯软件(Protocol Stack)以及开发辅助东西(Development Assistant Tool)。全体而言,软硬件厂商之间的合纵连横,ZigBee解决方案现已走向完好解决方案(Total Solution),或是一次购足(One Stop Shop)的概念进行。  在硬件有些,以RF芯片较为要害。当前在2.4GHzRF芯片,以国外的Chipcon商场占有率较高,其RF芯片CC2420调配Atmel AVR 8bits微处置器的平台,是大多数人接触到ZigBee的榜首个开发平台。  除此之外,近来也开端推出一颗类型为CC2430的体系芯片(SoC)(8),首要将CC24208051结合为一,三种版别别离内含128KB64KB32KB的闪存(Flash)空间,以及8KB的内存(SRAM),供客户依据需要挑选,大幅下降将来ZigBee关联产物的本钱。  
 而别的一家2.4GHzRF芯片厂商Freescale,则供给三种类型RF芯片:MC13191MC13192MC13193,调配不相同的协议软件,供给厂商不相同的产物开发。当然,Freescale也有方案推出ZigBee体系芯片的产物,将MC13193HCS08系列的8bits微处置器封装成体系封装芯片(System on Package),也估计在本年推出(9)  
 别的一家感测网络软件大厂Ember,本来与Chipcon协作,推出类型为EM2420(其实就是CC2420)的芯片以及软件解决方案;但后来与英国一家专门描绘RF芯片公司协作,推出全新的ZigBee SoC EM250(10),内含16bits微处置器、128KB闪存(Flash)空间,以及5KB的内存(SRAM)  
 别的一家后起之秀Jennic,则是挑选直接推出ZigBee SoC产物。其类型JN5121内建一颗32 bits RISC CPU64KB ROM,以及让软件工程师为之冷艳的96KBSRAM(11),也由于其硬件规范的彪炳,使得Jennic备受瞩目。  
 而国内的部份,有达盛推出ZigBee RF产物UZ2400,并且根本上UZ2400的硬件规范,就像大部份WiFiEthernet操控芯片相同,把一些MAC的举措硬件化了,所以在效能大将较具有优势。除此之外,达盛也估计在下一年榜首季推出SoC的产物。  
 软件的部份,在世界上现已有许多的公司可供给ZigBee Stack,例如EmberAirBeeFigure 8 WirelessLuxoftKorwin等,其间以Figure 8 Wireless(F8W)所描绘的Z-Stack最富盛名。ChipconF8W买下来,使得Chipcon成为ZigBee的彻底解决方案的供给者。风趣的是,Freescale也是调配F8WZ-Stack,并在本年4月与5月份时,FreescaleChipcon,双双宣告经过ZigBee AllianceZigBee兼容平台认证(ZigBee-compliant Platform
Certification)
,并且Chipcon CC2420加上Z-Stack,以及Freescale 13193加上Z-Stack,也都成为认证时的黄金平台(Golden Unit)  
 除了ZigBee Stack之外,也有公司专门供给ZigBee的开发辅助东西。如Daintree公司,供给ZigBee封包监听与剖析的辅助东西,可让运用者在开发关联产物时,知道产物的网络特性,这套东西,也被用来当作认证东西。  
 在国内则有资策会网多所供给ZigBee Stack的解决方案(13),并供给移植(Porting)、运用程序开发等效劳。本年7月份在日本举行的ZigBee互通性测验(ZigFest),资策会也顺畅与多家世界大厂完结200多个的互通测验事例,本年10月份则在TUV(德国莱茵)进行认证,并成为台湾榜首家、世界第五家经过ZCP认证的公司。  
 发明新运用继续分散ZigBee效应 
以当前商场需要看来,在2006年前,80%左右的商场应该城市会集在只需要802.15.4功用的运用(点对点或是星状拓墣的运用),也就是说大约只要20%的商场会运用到ZigBee的部份功用,这或许会是ZigBee的危机。值得注重的是,当前商场上许多的产物,往往不期望运用揭露规范的技能如保全产物,反而需要依据802.15.4技能之上,运用关闭非规范的通讯协议,这是一个适当吊诡的表象。  因而,有几个要害的开展要素有必要注重。榜首,ZigBee Alliance应加快各种运用Profile的规范,以当前推进速度看来好像过于缓慢,形成厂商留于张望,当热度削弱后,就有风险;第二,ZigBee802.15.4两种规范的结合应该再继续加强与改进,防止蓝芽以及Z-Wave等其它类似技能的影响;第三,应加强运用者更易开发的辅助东西,让运用者更清晰ZigBee的特性以及产物的描绘;第四,朝立异运用商场着手,寻找出可以发扬ZigBee特性(双向、网络、安全),也就是感测网络的产物与运用,进步产物附加价值;不然,就算是商场老练,亦将面对价钱的竞赛。  在国内的学界,一股ZigBee的热潮逐步延伸开来,许多风趣的研讨标题,也都围绕着ZigBee,如省电的802.15.4MAC开发、ZigBee Site Survey等。在业界的部份,也渐渐有业者开端投入资源,测验开发能够的产物;而法人单位则较有丰厚的开发经历,如资策会因科技项意图投入,现已有非常好的效果;因而产学研应加强协作,运用国内芯片的描绘与制作优势,再加上软件开发与立异运用,进而在世界ZigBee的舞台上占有重要的位置。
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