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摘要：基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术具有低成本、近距离、低功耗的优点，正符合未来一些无线互连设备的需要。本文首先介绍了Zigbee技术的概念、特点和协议模型，在此基础上探讨了ZigBee技术的应用并与其他几种无线通信技术做了比较。
关键词：ZigBee技术；IEEE802.15.4；无线通信
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)06-10000-00
Research on Wireless Communication Technology ZigBee
HU Ke, GUO Zhuang-hui, WANG Lei
(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)
Abstract: That based on IEEE 802.15.4 standard ZigBee has low cost, short distance and low power consumption’s characters, which fit some wireless communication equipments’ needs. This paper introduces ZigBee technology’s concept, characteristics and protocol model, upon these basis discuss application of ZigBee technology and compare this technology with other several wireless communication technologies.
Key words: ZigBee technology; IEEE 802.15.4; Wireless communication
1 引言
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制[1]。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通信技术的名称[2]。Zigbee过去称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。
2 ZigBee的技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点[3]：
（1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。
（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
3 ZigBee的协议模型
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。在标准规范的制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC（媒体接入层）与PHY（物理层）规范。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲领。ZigBee协议栈的模型如图1所示：
图1 ZigBee协议栈模型图
ZigBee的协议栈由高层应用规范、应用层、网络层、数据链路层组成[4]。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE负责物理层和数据链路层标准的制定。下面分别介绍应用层、网络层、数据链路层各部分的功能：
（1）、应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体功能包括：1）安全与鉴权；2）多个业务数据流的汇聚；3）设备发现；4）业务发现。
（2）网络层功能如下：1）通用的网络层功能，包括拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，寻址、路由和安全；2）有自组织、自维护功能，最大程度减少消费者的开支和维护成本。
（3）IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中LLC子层的主要功能包括：1）传输可靠性保障和控制；2）数据包的分段与重组；3）数据包的顺序传输。MAC协议包括功能如下：1）设备间无线链路的建立、维护和结束；2）确认模式的帧传送和接收；3）通道接入控制；4）帧校验；5）预留时隙管理；6）广播信息管理。
4 ZigBee的应用场合：
Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是ZigBee应用极具优势的地方[5]：
（1）需要无线通信交换信息的低成本装置；
（2）数据的交换量较小、传输的速率要求不高；
（3）功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间；
（4）需要多个（尤其是大量）设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。
下面就ZigBee的可能应用的几个领域举例加以说明：
（1）工业领域：
通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。
（2）数字家庭领域：
ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。ZigBee模块可以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控器便可开灯。再如你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓（可以是一个小小的符合ZigBee标准的器件），其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐和网站都将自动按照你的喜好自动设置。
（3）智能交通领域：
如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的ZigBee终端设备，你就不用担心迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处的位置。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能向你提供更精确更具体的信息。使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在车站等上数十分钟。基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。
（4）环境控制与医疗护理领域：
人类始终面临着各种威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等，所以，人类也一直在构建挽救生命的系统。但目前已有的许多系统实际上不是非常有效的，有些太复杂、太昂贵，难以普及；有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系统最为关键的联网能力。由于具备连接简单器件（如传感器和激活器等）的能力，ZigBee无线网络通信系统能监视各种事件，当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准，ZigBee无线网络通信系统很有希望应用于上述情况。
5 与其他几种无线通信技术的比较：
目前，市场上的近距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网WiFi和一些专用标准（如Ad hoc网等）的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较[6]：
蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。
WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽；采用最新的802.11g时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。
UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5～10m，速率甚至可高达1Gbps，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。
作为WiFi下一代技术的WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过WiFi，最高接入速率为70Mbps，信号传输半径可达到50km。图2是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。
从图2中看出，主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广泛的市场。从现今的市场看，每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点，或在距离、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段时间内，虽然会有一些竞争，但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。
图2 无线通信技术比较
6 结束语
本文阐述了ZigBee技术的概念、特点、协议模型以及相关应用，并与其他一些无线通信技术如蓝牙、WiFi、UWB、WiMax做了对比。无线组网通信是当今工业控制、家庭自动化、计算机应用等方面技术发展的一个热点，而低功耗、低成本的无线网络要求令ZigBee应运而生。ZigBee技术可以通过结合其他无线技术，实现无所不在的网络。这也显示出ZigBee具有超强的生命力和优势，应用前景十分看好，值得广大嵌入式应用的技术人员关注。相信随着相关技术的发展和推进，ZigBee技术一定会得到更大的应用。
7 致谢
本文研究得到了国家自然科学基金重点项目（70531020）资助，在此谨表谢意。
参考文献：
[1]林山霖.ZigBee技术发展现状.零组件杂志,2004(155).
[2]http://www.zigbee.org[EB/OL]
[3]雷震洲. 面向低速率应用的全球标准ZigBee.现代电信科技,2004(12).
[4]齐丽娜,干宗良.一种新的无线技术ZigBee[J].电信快报,2004,(9):12-14.
[5]原弈,苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件, 2004,21(6):89-91.
[6]赵景宏, 李英凡, 许纯信.ZigBee技术简介[J].电力通信系统,2006(165).
收稿日期：2008-01-12
基金项目：国家自然科学基金重点项目（70531020）
作者简介：胡柯（1983-），男，浙江奉化市人，硕士研究生，研究方向为智能自动化；郭壮辉（1982-）硕士研究生，研究方向为智能自动化。汪镭（1970-），男，江苏无锡市人，教授，博士生导师，从事智能自动化理论与应用研究等。
关键词：ZigBee技术；IEEE802.15.4；无线通信
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)06-10000-00
Research on Wireless Communication Technology ZigBee
HU Ke, GUO Zhuang-hui, WANG Lei
(School of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 200092,China)
Abstract: That based on IEEE 802.15.4 standard ZigBee has low cost, short distance and low power consumption’s characters, which fit some wireless communication equipments’ needs. This paper introduces ZigBee technology’s concept, characteristics and protocol model, upon these basis discuss application of ZigBee technology and compare this technology with other several wireless communication technologies.
Key words: ZigBee technology; IEEE 802.15.4; Wireless communication
1 引言
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制[1]。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通信技术的名称[2]。Zigbee过去称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。
2 ZigBee的技术特点
ZigBee是一种无线连接，可工作在2.14GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点[3]：
（1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。
（2）成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。
（4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。
（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
3 ZigBee的协议模型
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。在标准规范的制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC（媒体接入层）与PHY（物理层）规范。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲领。ZigBee协议栈的模型如图1所示：
图1 ZigBee协议栈模型图
ZigBee的协议栈由高层应用规范、应用层、网络层、数据链路层组成[4]。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE负责物理层和数据链路层标准的制定。下面分别介绍应用层、网络层、数据链路层各部分的功能：
（1）、应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体功能包括：1）安全与鉴权；2）多个业务数据流的汇聚；3）设备发现；4）业务发现。
（2）网络层功能如下：1）通用的网络层功能，包括拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，寻址、路由和安全；2）有自组织、自维护功能，最大程度减少消费者的开支和维护成本。
（3）IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。其中LLC子层的主要功能包括：1）传输可靠性保障和控制；2）数据包的分段与重组；3）数据包的顺序传输。MAC协议包括功能如下：1）设备间无线链路的建立、维护和结束；2）确认模式的帧传送和接收；3）通道接入控制；4）帧校验；5）预留时隙管理；6）广播信息管理。
4 ZigBee的应用场合：
Zigbee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警），消费类电子设备的遥控装置、PC外设的无线连接等领域。
一般而言，满足如下一些特点的应用场合，是ZigBee应用极具优势的地方[5]：
（1）需要无线通信交换信息的低成本装置；
（2）数据的交换量较小、传输的速率要求不高；
（3）功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间；
（4）需要多个（尤其是大量）设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。
下面就ZigBee的可能应用的几个领域举例加以说明：
（1）工业领域：
通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。
（2）数字家庭领域：
ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度控制等。ZigBee模块可以安装在灯泡、遥控器、玩具、门禁系统、空调系统和其它家电产品中。例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控器便可开灯。再如你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓（可以是一个小小的符合ZigBee标准的器件），其他器件都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐和网站都将自动按照你的喜好自动设置。
（3）智能交通领域：
如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量的ZigBee终端设备，你就不用担心迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处的位置。全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能向你提供更精确更具体的信息。使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在车站等上数十分钟。基于Zigbee技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。
（4）环境控制与医疗护理领域：
人类始终面临着各种威胁生命的因素，如火灾、水灾和地震等，所以，人类也一直在构建挽救生命的系统。但目前已有的许多系统实际上不是非常有效的，有些太复杂、太昂贵，难以普及；有些因为电池迅速耗尽而很快不能工作；有些缺乏生命挽救系统最为关键的联网能力。由于具备连接简单器件（如传感器和激活器等）的能力，ZigBee无线网络通信系统能监视各种事件，当需要时自动采取相应的行动。作为一个为低速率、低成本和低功耗应用而设计的全球标准，ZigBee无线网络通信系统很有希望应用于上述情况。
5 与其他几种无线通信技术的比较：
目前，市场上的近距离无线通信技术主要有蓝牙、无线局域网WiFi和一些专用标准（如Ad hoc网等）的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如超宽带通信UWB和WiMax等。下面对这些技术作一些简要介绍和比较[6]：
蓝牙技术发展从1999年起已经历了多个年头，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。目前主要应用在无线耳机等不需要很高传输带宽的领域，且互通性方面也存在问题。
WiFi在Intel的大力支持下，借迅驰处理器迅速占领市场；采用IEEE802.11b标准，使用2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，并可根据信号强弱把传输率调整为5.5Mbps、2Mbps和1Mbps带宽；采用最新的802.11g时，速率可达54Mbps，是目前应用最广的无线网络传输协议。
UWB是一种未来短距离宽带无线传输技术。由于未采用通常无线收发中的载波调制技术，因此它不需要混频、过滤和射频/中频转换模块，实现了低成本、低功耗和高带宽性能。目前有两大技术阵营竞争技术标准，预期的通信距离5～10m，速率甚至可高达1Gbps，非常适合于家用消费电子产品之间的大容量数据传输。
作为WiFi下一代技术的WiMax，被设想成一项无线城域网接入技术，在传输距离和速度方面均胜过WiFi，最高接入速率为70Mbps，信号传输半径可达到50km。图2是以上几种无线通信技术的速率/距离比较。
从图2中看出，主要的无线技术都集中在1Mbps以上的速率，新的标准还在追求更快的速率；而Zigbee恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉。在实际应用环境中，低速率、低成本的无线通信在自动控制、无线传感器网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活，同样具有广泛的市场。从现今的市场看，每一种无线通信技术的产品都有各自的一些特点，或在距离、或在成本、或在速率等方面，因此，在今后一段时间内，虽然会有一些竞争，但仍会有多种无线通信技术的产品在市场上共存。
图2 无线通信技术比较
6 结束语
本文阐述了ZigBee技术的概念、特点、协议模型以及相关应用，并与其他一些无线通信技术如蓝牙、WiFi、UWB、WiMax做了对比。无线组网通信是当今工业控制、家庭自动化、计算机应用等方面技术发展的一个热点，而低功耗、低成本的无线网络要求令ZigBee应运而生。ZigBee技术可以通过结合其他无线技术，实现无所不在的网络。这也显示出ZigBee具有超强的生命力和优势，应用前景十分看好，值得广大嵌入式应用的技术人员关注。相信随着相关技术的发展和推进，ZigBee技术一定会得到更大的应用。
7 致谢
本文研究得到了国家自然科学基金重点项目（70531020）资助，在此谨表谢意。
参考文献：
[1]林山霖.ZigBee技术发展现状.零组件杂志,2004(155).
[2]http://www.zigbee.org[EB/OL]
[3]雷震洲. 面向低速率应用的全球标准ZigBee.现代电信科技,2004(12).
[4]齐丽娜,干宗良.一种新的无线技术ZigBee[J].电信快报,2004,(9):12-14.
[5]原弈,苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件, 2004,21(6):89-91.
[6]赵景宏, 李英凡, 许纯信.ZigBee技术简介[J].电力通信系统,2006(165).
收稿日期：2008-01-12
基金项目：国家自然科学基金重点项目（70531020）
作者简介：胡柯（1983-），男，浙江奉化市人，硕士研究生，研究方向为智能自动化；郭壮辉（1982-）硕士研究生，研究方向为智能自动化。汪镭（1970-），男，江苏无锡市人，教授，博士生导师，从事智能自动化理论与应用研究等。