掌握技术原理与协议特性 开创ZigBee杀手应用
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802.15.4与ZigBee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/IP与802.11的关联性。
IEEE 802.15.4规范PHY与MAC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250kbps至20kbps之间，视所用频段而定，频段的运用别离是2.4GHz的ISM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16、10、1个(图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)(图2)，别的一种是异步形式(Non-Beacon Mode)(图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(图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)(图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RFD向Coordinator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，NWK以16bits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65,536个ZigBee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, 在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, 在ZigBee规范中称为Tree Routing)；以及运用播送的办法传递数据(图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。
Device Object)以及设备运用Profile。ZigBee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(如ZigBee台灯)或是运用他人的效劳(如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 Control－Lighting
Control的Profile(图7)。 而安全层则在MAC、NWK与AP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)与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functionE，802.15.4与ZigBee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 在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2.4GHz的RF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)(图8)，首要将CC2420与8051结合为一，三种版别别离内含128KB、64KB与32KB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2.4GHz的RF芯片厂商Freescale，则供给三种类型RF芯片：MC13191、MC13192与MC13193，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MC13193与HCS08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(图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(图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 CPU、64KB ROM，以及让软件工程师为之冷艳的96KB的SRAM(图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WiFi与Ethernet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Ember、AirBee、Figure 8 Wireless、Luxoft、Korwin等，其间以Figure 8 Wireless(F8W)所描绘的Z-Stack最富盛名。Chipcon把F8W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F8W的Z-Stack，并在本年4月与5月份时，Freescale与Chipcon，双双宣告经过ZigBee Alliance的ZigBee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(图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，ZigBee与802.15.4两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802.15.4的MAC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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