Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術,本內容首先介紹了Zigbee的基礎知識與技術要點，然后分析了Zigbee技術與藍牙技術、WIFI、Z-Wave等短距離通信技術的分析與比較。
一、Zigbee基礎知識

　　Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術，主要用于近距離無線連接。

　　Zigbee的基礎是IEEE802.15.4(如下圖1所示)，這是IEEE無線個人區域網(Personal Area Network，PAN)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4(Zigbee)技術標準。

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　　Zigbee不僅只是802.15.4的名字。IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化(如下圖2所示)。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點，而幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。Zigbee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

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　　Zigbee技術的主要特點包括以下幾個部分:

　　數據傳輸速率低:只有10k字節/秒到250k字節/秒，專注于低傳輸應用;

　　功耗低:在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee的支持者所一直引以為豪的獨特優勢;

　　成本低:因為Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且Zigbee協議免收專利費。

　　時延短:通常時延都在15毫秒至30毫秒之間;

　　安全:Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性;

　　網絡容量大:每個Zigbee網絡最多可支持255個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外254臺設備相連接;

　　優良的網絡拓撲能力:ZigBee具有星、樹和叢網絡結構的能力。ZigBee設備實際上具有無線網路自愈能力,能簡單地覆蓋廣闊圍;

　　有效范圍小:有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境;

　　工作頻段靈活:使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。

　　更重要的是，預測未來6到7年內，家庭用戶將占有Zigbee2/3的市場。在可以預期的將來，Zigbee無線傳感將切實改變你我的生活。

　　二、ZigBee上游芯片廠商

　　目前市場上ZigBee芯片提供商有：TI(Chipcon);Freescale;Ember;Jennic;Atmel;Integration;NEC;OkI;Renesas; 等9家。其中TI;Frescale;Ember;Jennic是市場上主導的供應廠商，這四大廠商基本上壟斷了整個90%的市場份額。四大巨頭勢力都比較均衡，Jennic之前在整體實力和名氣上可能稍有欠缺，但自從被NXP收購后，至少在行業影響力方面可以和其它三家的競爭對手平分秋色了。

　　具體針對國內市場，由于整個ZigBee產業在國內相比于歐美市場有比較明顯的差距，缺少上規模和有實質用量的應用，更多的還是停留在關注和學習階段。因此這四大巨頭在國內市場份額就體現出了一定的差異。從熟知度來說，應該是TI序列的芯片名氣是最大的，國內不少高校;研究所都是基于TI序列的芯片來研究學習ZigBee的，很多ZigBee開發板;開發套件也都是基于TI芯片的，這可能與TI公司是最先免費提供自己ZigBee協議棧有一定的關系，降低了國內用戶學習ZigBee技術的成本門檻。而像Frescale; Ember等公司由于一直還沒有免費公布自己的ZigBee協議棧，其開發套件成本都在幾W人民幣，過高的學習費用門檻，導致普通學生或者工程師用戶望塵莫及，因此在知名度方面要稍有遜色。但縱觀國內ZigBee OEM客戶廠商，真正有一定規模應用和影響力的廠商在選擇應用芯片方案平臺時，TI并沒有體現出和知名度相匹配匹配的優勢出來，四大巨頭之間的競爭又趨于平衡。從國內行情來分析，基于Frescal和Ember兩家公司方案在工業類的應用偏多，而TI和jennic兩家的方案產品在消費類產品中較常見。這不知道是否和芯片的內在因素有一定的必然關系?值得我們后面繼續關注比較。

　　三、ZigBee同wifi、藍牙、Z-Wave這些短距離通信的分析與比較

　　1、　Zigbee和Wi-Fi的干擾和共存

　　Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性比較

　　低速率、低功耗的Zigbee 有著特定的應用空間，是Wi-Fi的有效補充，兩者的主要性能參數如表1 所示。

　　表1 Zigbee 和Wi-Fi 的主要特性

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　　干擾分析

　　背景

　　Zigbee 工作在工業科學醫療(ISM)頻段，定義了兩個物理層，即2.4 GHz頻段和868/915MHz 頻段物理層，而868MHz 和915 MHz 的ISM 頻段分別只在歐洲和北美有，所以其主要工作于全球范圍內免許可證的2.4 GHz 的ISM 頻段。必然會與工作在該頻段的Wi-Fi 產生相互干擾。

　　Zigbee 的底層標準把2.4 GHz 的ISM頻段劃分為16 個信道，每個信道帶寬為2 MHz，如圖1 所示。Wi-Fi 將該頻段劃分為11 個直擴信道，系統可選定其中任一信道進行通信，信道帶寬為22 MHz，所以11 個信道有重疊，無重疊的信道最多只有3 個，如圖2 和圖3 所示。顯而易見，假定Wi-Fi 系統工作在任一信道，則Zigbee 和其信道頻率重疊的概率為1/4.當Zigbee 和Wi-Fi 同時使用相同頻段通信時，產生帶內有色噪聲干擾，導致傳輸分組沖突。

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　　Zigbee 對Wi-Fi 的干擾分析

　　本節將分析在頻偏為零的同信道條件下Zigbee 對Wi-Fi的干擾。假設一室內環境下的Zigbee 和Wi-Fi 設備節點如圖4 分布。每個Zigbee 節點呈獨立一致性均勻分布，其處于活動狀態的概率為P[A ]，分布密度為D.假設有個Zigbee 節點會產生對STA 有效的干擾，則分組沖突概率P[C]為m2：

　　本文室內路徑損耗選用對數距離模型：

　　其中：n- - 依賴于周圍環境，Xo- - 零均值的高斯分布隨機變量，d0- - 近地參考距離。

　　根據文獻[5]和[6]，對于一個半徑為R 的覆蓋區，假設STA的SIR 的閾值為γ (如果Zigbee 節點要對STA 產生有效的干擾，使其SIR 必須小于γ )，則有效干擾區域的百分比為U(γ )(即對于STA的SIR低于γ的區域百分比)，如果在半徑范圍內導致SIR低于閾值的概率為P[SIR《γ] ，則：

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　　則對數正態分布變量SIR 的均值為：

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　　其方差為δ。

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　　針對上述模型做定性分析，由于Zigbee 底層協議IEEE802.15.4 中有著特殊的睡眠機制，節點處于活動狀態的概率一般小于1 %[4]，γ可取為10dBm[7]，AP 和Zigbee 的傳輸功率分別為14 dBm 和0 dBm。

　　根據文獻[6]，分組出錯率的期望E[PER]=P[C] ，分組沖突概率越大，相應的分組出錯率也越大。從圖5 可以看出，隨AP和STA 的距離d以及δ的增大，系統的性能越差。

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　　2、ZigBee和藍牙分析與比較詳解

　　藍牙也是一種短距離無線通信技術，自藍牙規范發布以采，它在越來越多的領域得到了應用。比如工業自動控制、家庭自動化、電信級的音頻傳輸、PDA、手機和PC機外設等。

　　在ZigBee和藍牙的關系上，ZigBee聯盟認為ZigBee和藍牙是互為補充，而不是互相競爭。本文將圍繞技術和市場兩個方面來分析ZigBee和藍牙這兩種短距離無線通信技術，證明藍牙將在某些應用方面面臨ZigBee技術的競爭。最后，對ZigBee和藍牙的應用和發展提出了建議。

　　系統復雜性

　　ZigBee的系統復雜性要遠小于藍牙的系統復雜性。這可以從它們的協議棧的參考模型(圖1)中看出。ZigBee協議棧簡單，實現相對容易，需要的系統資源也較少，據估計運行ZigBee需要系統資源約28Kb;藍牙協議棧相對復雜，它需要系統資源約為250Kb。ZigBee定義了兩種

　　類型的設備：全功能設備FFD(Ful Functional Device)和簡化功能設備RFD(Reduced Function Device)。網絡為主從結構， 一個網絡有一個網絡協調者(Coordinator)和最多可達65535個從屬設備。網絡協調者必須是FFD，它負責管理和維護網絡，包括路由、安全性、節點的附著與離開等。一個網絡只需要一個網絡協調者，其他終端設備可以是RFD，也可以是FFD。RFD的價格要比FFD便宜得多，其占用系統資源僅約為4Kb，因此網絡的整體成本比較低。從這一點來說，ZigBee非常適合有大量終端設備的網絡，如傳感網絡、樓宇自動化等。

　　安全性

　　ZigBee采用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果系統是用于安全性要求不高的場景，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系統成本和功耗的降低;反之，在安全性要求較高的應用場景(如軍事)，可以選擇較高的安全級別。這樣，

　　廠商可以綜合考慮功耗、系統處理能力、成本和應用環境等方面因素而采取適當的安全級別。ZlgBee分別在MAC層和NWK層采取了安全策略。在數據經過一跳就到達目的地時，ZigBee只用MAC層提供的安全機制;當在多跳的情況下，ZigBee就要依賴高層來保證安全。下面分述MAC層和NWK層的安全性。

　　MAC層安全套件(Security Suites)基于以下三種操作模式：計數器(CTR，Counter)模式的AES加密、密碼塊鏈接模式(CBC-MAC，CiPher Block Chaining)的數據完整性、CTR和CBC-MAC相結合的加密和完整性(OW做CCM模式)。MAC層的AES加密算法可以保護MAC命令、信標、信息幀和應答幀的秘密性、完整性和真實性。MAC幀的頭部有一個比特用來指示MAC幀是否加密。每一個密鑰只與一個安全套件相關聯。為了保證數據完整性，MAC層計算頭部和凈荷數據得到一個消息完整碼(MIC，Message Integrity Code)，其長度為4、8或

　　16字節。同時，在每個MAC幀頭也都有一個幀編號，用于防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過程的控制則由高層來負責。

　　NWK層也使用AES，它的安全套件是基于CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同時提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM*允許單個密鑰用于不同的安全套件。因此一個密鑰并不只屬于單個安全套件，一個高層應用可以靈活地指定NWK所用的安全套件。NWK層負責安全處理，但對處理過程的控制則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM*安全套件來實現。此外，幀序號和MIC也可以加在NWK幀中。

　　藍牙協議在基帶部分定義了設備鑒權和鏈路數據流加密所需要的安全算法和處理過程。設備的鑒權是強制性的，所有的藍牙設備均支持鑒權過程，而鏈路的加密則是可選擇的。藍牙設備的鑒權過程是基于問詢一響應模式和共享的加密方式。為了使藍牙鏈路的數據流具有隱蔽性，可以使用1比特的流密碼對鏈路進行加密。密鑰大小隨著每個基帶分組數據單元(BB—PDU)傳輸而改變。加密密鑰可以從對設備鑒權中得到。這意味著，在使用鏈路加密之前，兩個設備之間至少已經進行了一次鑒權。密鑰的最大長度為128比特。

　　從以上分析可以看出，ZigBee和藍牙在一定程度上都能夠保證安全性。但ZigBee比藍牙更為靈活，這更有利于控制系統成本。

　　3、ZigBee和Z-Wave的區別與未來

　　ZigBee和Z-Wave短距離無線技術都用于遠程監控和控制，但兩種技術的規格和應用卻不同。在美國應用越來越廣泛的家庭局域網(home-area network, HAN)中，兩種技術都是理想選擇。本文將對比這兩種廣泛使用的無線技術(見表格)。

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　　Z-Wave

　　Zensys在2008年被Sigma Designs收購之前開發了Z-Wave私有無線標準。Sigma Designs的產品是IC和電力線通信(PLC)和無線相關設備。Z-Wave標準不像很多無線標準那樣開放，但Zensys、Sigma Design的客戶都可以使用。最近，國際電信聯盟(ITU)把Z-Wave PHY和MAC層作為其新標準G.9959的選擇，該標準為1GHz一下的窄帶無線設備提供了一套指南。

　　Z-Wave無線網狀網絡技術讓任何節點都能直接或間接地和通信范圍內的其它臨近節點通信。如果兩個不在通信范圍內的節點想要通信，則可以通過連接另外一個節點獲取或交換信息。Z-Wave網絡最多支持232個節點，還支持設置多個控制器，以區分開所需的各種功能。

　　Z-Wave使用Part 15免費ISM頻帶，運行在美國和加拿大的908.42MHz頻率上，在其他國家則根據各國規定使用其他不同頻率。調制方式是高斯移頻鍵控(FSK)。數據速率包括9600 bits/s和40kbits/s.輸出功率為1mW和0 dBm.和其他無線技術類似，傳輸范圍取決于環境。在開闊空間中，最大范圍可達30米。穿墻的話范圍會有一定減小。

　　Sigma Designs的ZM3102模塊專為和其它產品集成而設計，用于監控和控制。除了無線收發器外，還包括板載一塊CPU,以及內置的23kbytes閃存和2kbytes的SRAM,另外還支持有四個模擬輸入的12位ADC.接口包括GPIO、SPI、UART和脈沖寬帶調制(PWM)，也提供Triac控制器。模塊電壓范圍為2.1V到3.6V直流，功耗非常低。典型的轉發周期僅為0.1%,也就是說大多數時候設備處于休眠模式。

　　ZigBee和Z-Wave的目標應用一致。其中ZigBee的通用性遠超Z-Wave,幾乎可以配置并實現任何短距離無線功能，應用規范也可以大大縮短普通應用的開發時間。另一方面，ZigBee的協議更復雜，開發時間也更長。Z-Wave采用更簡單的協議，開發更快也更簡單。

　　Z-Wave芯片只能通過Sigma Designs這一唯一來源獲取。Sigma Designs只賣給OEM、ODM和其它主要客戶。在Home Depot和Lowes這樣的商店里，可以買到500多種家庭控制產品，但很多并沒有說明使用了Z-Wave.

　　ZigBee芯片廠商包括Ember、飛思卡爾、Microchip和德州儀器。完善且立即可用的ZigBee模塊也可以通過多個來源獲得，包括Atmel、CEL、Digi、Jennic、Lemos和RFM.

　　在0 dBm的特定功率下，Z-Wave的范圍比ZigBee更大，這是因為Z-Wave運行在更低的頻率下(根據Friis公式)。這也意味著Z-Wave在某些應用中連接也更穩定。

　　ZigBee使用應用廣泛的2.4GHz ISM頻段，因此必須與Wi-Fi、藍牙和其它無線標準共享頻段，會產生干擾。大多數ZigBee設備都有有助于緩解干擾的共存功能，但潛在的2.4GHz干擾比Z-Wave所處的908.42MHz通道更大。

　　四、ZigBee的技術應用-智能家居篇

　　基于ZigBee技術的智能家居系統的設計方案

　　本文介紹一種基于ZigBee 技術的網絡化智能家居系統的設計和實現方案。系統硬件上以S3C2440A 為控制核心，利用CC2430 組建家庭內部網絡來采集家庭設備的數字信號， 用USB camera 采集家庭內部的視頻信號。軟件上利用嵌入式Web服務器和CGI 技術實現家庭內網和Internet 相連，達到遠程監控的目的。通過實際測試證明系統功能強大，運行穩定，滿足了家庭信息網絡化的要求。

　　本系統選用S3C2440A 作為核心控制器， 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的處理器， 采用了16/32 位RISC 處理器， 具有外部存儲器控制器，LCD 控制器，4 通道DMA控制器，三通道UART，兩通道SPI，兩路全速USB 主設備芯片，帶有MMU 虛擬存儲器單元，這一特性可以移植linux 系統和建立Web 服務器，主頻400MHz，有130 個I/O 端口和24 路外部中斷源，有多種通信接口，體積小，功耗和成本低，可靠性高，特別適合作為嵌入式微處理器。

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　　ZigBee 協調器和設備節點程序

　　ZigBee 家庭無線網絡主要負責對現場各種信息的監控以及數據的采集， 并將內部處理過的數據經家庭網關傳送到外部網絡。本系統中ZigBee 協調器主要用于建立無線網絡，分配地址，向終端節點發送控制命令和接收終端節點的工作狀態，并將接收到的狀態數據全部上傳至Web 服務器， 最后通過Internet傳送到遠端的用戶端。終端設備節點主要有加入網絡，接收控制命令，以及發送狀態信息給協調器等。協調器主程序流程如圖2所示。

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　　基于ZigBee技術的無線智能照明系統

　　基于ZigBee的智能照明系統的實現

　　ZigBee是一種在無線個人網絡領域中新興的無線網絡技術。電子與電氣工程師協會IEEE于2000年底成立了802.15.4工作組，規定了ZigBee的物理層和媒體接入控制層。2001年8月成立了 ZigBee聯盟，負責ZigBee規范的制定和應用推廣工作，2004年12月推出ZigBee規范的正式版本ZigBee SpecificationV1.0。目前，ZigBee標準在ZigBee聯盟的推動下正日趨增強和完善，其實際工程應用正日益普及。世界各大半導體巨頭TI，FreeScale和Ember等各自推出了符合ZigBee標準的芯片及協議棧。其中，TI公司的CC2430加Z-Stack協議棧是業內公認的最佳解決方案。本文的無線智能照明系統就是在這個平臺上實現的。

　　硬件設計

　　無線智能照明系統的網絡節點分為協調器、路由器和終端節點三種。其中，協調器的硬件結構框圖如圖1所示。

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　　更多內容：zigbee技術應用(一):智能家居篇