ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標準規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。

　　概述

　　ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。

　　ZigBee網(wǎng)絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡中的設備可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等三種角色。

　　與此同時，ZigBee作為一種短距離無線通信技術，由于其網(wǎng)絡可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領域具有非常強的可應用性。

　　起源

　　ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。

　　2001年8月，ZigBee Alliance成立。

　　2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個版本。由于推出倉促，存在一些錯誤。

　　2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。

　　2007年底，ZigBee PRO推出。

　　2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強的靈活性和遠程控制能力。

　　2009年開始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網(wǎng)Smart Energy(SEP 2.0)的標準，致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡，實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡通信。隨著美國及全球智能電網(wǎng)的建設，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標準所取代。

　　ZigBee的底層技術基于IEEE 802.15.4，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義。

　　在藍牙技術的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域而言，藍牙技術太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等。而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡的通信協(xié)議Home RF Lite。

　　長期以來，低價位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。藍牙的出現(xiàn)，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，

　　但是藍牙的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介質(zhì)訪問層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡。它是ZigBee應用層和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)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。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。

　　互聯(lián)網(wǎng)標準化組織IETF也看到了無線傳感器網(wǎng)絡（或者物聯(lián)網(wǎng)）的廣泛應用前景，也加入到相應的標準化制定中。以前許多標準化組織和研究者認為IP技術過于復雜，不適合低功耗、資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡，因此都是采用非IP技術。在實際應用中，如ZigBee需要接入互聯(lián)網(wǎng)時需要復雜的應用層網(wǎng)關，也不能實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。與此同時，與ZigBee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利于產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。IETF和許多研究者發(fā)現(xiàn)了存在的這些問題，尤其是Cisco的工程師基于開源的uIP協(xié)議實現(xiàn)了輕量級的IPv6協(xié)議，證明了IPv6不僅可以運行在低功耗資源受限的設備上，而且，比ZigBee更加簡單，徹底改變了大家的偏見，之后基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡技術得到了迅速發(fā)展。 IETF已經(jīng)完成了核心的標準規(guī)范，包括IPv6數(shù)據(jù)報文和幀頭壓縮規(guī)范 6Lowpan 、 面向低功耗、低速率、鏈路動態(tài)變化的無線網(wǎng)絡路由協(xié)議 RPL 、以及面向無線傳感器網(wǎng)絡應用的應用層標準CoAP ，相關的標準規(guī)范已經(jīng)發(fā)布 。IETF組織成立了IPSO聯(lián)盟，推動該標準的應用，并發(fā)布了一系列白皮書 。 IPv6/6Lowpan已經(jīng)成為許多其它標準的核心，包括智能電網(wǎng)ZigBee SEP2.0、工業(yè)控制標準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優(yōu)勢： 可以運行在多種介質(zhì)上，如低功耗無線、電力線載波、WiFi和以太網(wǎng)，有利于實現(xiàn)統(tǒng)一通信；IPv6可以實現(xiàn)端到端的通信，無需網(wǎng)關，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由協(xié)議，路由器可以休眠，也可以采用電池供電，應用范圍廣，而ZigBee技術路由器不能休眠，應用領域受到限制。6Lowpan標準已經(jīng)得到大量開源軟件實現(xiàn)，最著名的是Contiki、TinyOS系統(tǒng)，已經(jīng)實現(xiàn)完整的協(xié)議棧，全部開源，完全免費，已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到應用。IPv6/6Lowpan協(xié)議將隨著無線傳感器網(wǎng)絡以及物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用，很可能成為該領域的事實標準。

　　特性編輯①低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，

　　藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

　　TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點。該節(jié)點采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機給TI公司的ZigBee提供電源。

　?、诘统杀尽Ｍㄟ^大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。

　?、鄣退俾省igBee工作在20～250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。

　?、芙嚯x。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

　　⑤短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3～10s、WiFi 需要3 s。

　?、薷呷萘俊igBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。

　　⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　?、嗝鈭?zhí)照頻段。使用工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) , 。

　　由于此三個頻帶物理層并不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個, 10個和16個信道。

　　這三個頻帶的擴頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴頻都使用直接序列擴頻(DSSS)，但從比特到碼片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。

　　在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米(TI CC2530不加功率放大)。

　　所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術。

　　組網(wǎng)通信方式

　　ZigBee技術所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡，對原有網(wǎng)絡進行刷新。這就是自組織網(wǎng)。

　　ZigBee技術為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？

　　網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。

　　為什么自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式？

　　所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A先設定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡管理軟件中，路徑的選擇使用的是&ldquo;梯度法&rdquo;，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài)路由結合網(wǎng)狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

　　前景

　　隨著國內(nèi)經(jīng)濟的高速發(fā)展，城市的規(guī)模在不斷擴大，尤其是各種交通工具的增長更迅速，從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出，而單靠擴大道路交通基礎設施來緩解矛盾的做法已難以為繼。在這種情況下，智能公交系統(tǒng)(AdvancedPublicTransportationSystems，APTS)也就應運而生，并且成為國內(nèi)研究的熱點。在智能公交系統(tǒng)所涉及的各種技術中，無線通信技術尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術，更是得到了越來越廣泛的關注和應用。市場上也出現(xiàn)了大量與ZigBee相關的各種產(chǎn)品，根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟的統(tǒng)計分析表明：ZigBee雖然廣受推崇，但是在數(shù)據(jù)中，推出ZigBee相關產(chǎn)品的中小型企業(yè)在2012年的發(fā)展并不可觀。

　　其中，比較有競爭力的ZigBee解決方案主要有下面幾種：

　　(1)Freescale：MC1319X平臺;

　　(2)Chipcon：SoC解決方案CC2530;

　　(3)Ember：EM250ZigBee系統(tǒng)晶片及EM260網(wǎng)絡處理器;

　　(4)Jennic的JN5121芯片;

　　經(jīng)過市場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)Freescale的MC1319X平臺功耗低、價格低廉、硬件集成度高，方便二次開發(fā)，射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。所以，在本文的設計中選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的以FreescaleMC1319x芯片組為核心的XBeeProRF模塊。下面主要介紹XbeePro的特性、接口應用、操作模式以及在智能公交無線網(wǎng)絡中的應用。