ZigBee技术的发展

ZigBee技术的发展无线传感器网络领域背景科技发展的脚步越来越快，人类已经置身于信息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术——传感器技术，也得到了极大的发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并将会带来一场信息革命。发展历程早在上世纪70年代，就出现了将传统传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感器网络雏形，我们把它归之为第一代传感器网络。随着相关学科的的不断发展和进步，传感器网络同时还具有了获取多种信息信号的综合处理能力，并通过与传感控制器的相联，组成了有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感器被运用，并使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。发达国家如美国，非常重视无线传感器网络的发展，IEEE正在努力推进无线传感器网络的应用和发展，波士顿大学(BostonUnversity)还于最近创办了传感器网络协会(SensorNetworkConsortium)，期望能促进传感器联网技术开发。除了波士顿大学，该协会还包括BP、霍尼韦尔(Honeywell)、InetcoSystems、Invensys、L-3Communications、MillennialNet、Radianse、SensicastSystems及TextronSystems。美国的《技术评论》杂志在论述未来新兴十大技术时，更是将无线传感器网络列为第一项未来新兴技术，《商业周刊》预测的未来四大新技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感器网络的广泛是一种必然趋势，它的出现将会给人类社会带来极大的变革。Zigbee技术概述当今世界通信技术迅猛发展，ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork)的发展。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗(长电池寿命)且极廉价的市场定位，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域,将拥有广阔的应用前景。ZigBee技术的核心,是运行于微控制器内部的一套软件,我们也称之为软件协议栈,负责该协议规范制定的,是ZigBee联盟;ZigBee联盟于2004年12月通过了ZigBee1.0（也称ZigBee2004）标准，之后于2005年9月公布并提供下载。2006年12月ZigBee联盟又推出ZigBee1.1（也称ZigBee2006）版。ZigBee1.1较原有ZigBee1.0作了若干修改，例如新增ZCL(ZigBeeClusterLibrary)、集团装置(GroupDevice)、多播(Multicast)功效、并且可以直接透过无线方式(OverTheAir；OTA)进行组态配置和软件更新，此外也移除了KVP(KeyValuePair)的讯息格式。2007年10月,ZigBee联盟推出ZigBee2007,订立出ZigBeeProFeatureSet(简称：ZigBeePro)的新标准，对ZIGBEE协议栈进行了重大升级,加强了对家庭自动化(HomeAutomation；HA)、建筑/商业大楼自动化(BuildingAutomation；BA)、高级抄表结构(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)3种应用剖面的支持。同时在自动跳频,支持更大的网络,更高级的路由算法等方面的改进和提高,将ZIGBEE协议栈的可用性和可靠性,提高到一个全新的阶段。从2003年12月，CHIPCON推出业界第一款ZigBee收发器CC2420以来，各大半导体厂家可谓百家争鸣，先后推出许多款ZigBee收发芯片，其中仍然以CHIPCON最受关注，先后有多家公司推出与ZigBee收发芯片匹配的专业处理器，其中以微芯的PIC18F4620和ATMEL的Atmega128最为成功，而C8051F系列也做了很多应用。2004年12月，推出全球第一个IEEE802.15.4/ZigBee片上系统（SoC）解决方案----CC2430无线单片机，该款芯片内部集成了一颗增强型的8051内核以及业内性能卓越的ZigBee收发器CC2420。2005年12月，CHIPCON再接再厉，推出内嵌定位引擎的ZigBee/IEEE802.15.4解决方案CC2431。2006年2月TI公司收购CHIPCON公司，以壮大其在RF行业的龙头地位。之后TI在发布的ZigBee收发器以及无线单片机上进行不断的修订，也陆续开发出具有针对性的开发系统，并于2006年10月把其自身的MSP430处理器用于对于ZigBee收发器的控制，并于2007年5月推出整套CC2420+MSP430ZigBee?/IEEE802.15.4DevelopmentKit开发包。2008年2月，推出第二代ZigBee?/IEEE802.15.4收发芯片CC2520，2008年4月，推出ZigBee协处理器CC2480，2008年6月，推出2.4G放大芯片CC2591。不仅仅是硬件，软件方面TI也跟进的相当快，而且是唯一一家免费公开协议栈的公司。2007年1月，TI推出德州仪器(TI)宣布推出ZigBee协议栈(Z-Stack)，并于2007年4月提供免费下载版本V1.4.1，用户可通过进行下载。Z-Stack达到ZigBee测试机构德国莱茵集团(TUVRheinland)评定的ZigBee联盟参考平台(goldenunit)水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及TIMSP430超低功耗MCU。除了全面符合ZigBee2006规范以外，Z-Stack还支持丰富的新特性，如无线下载，可通过ZigBee网状网络(meshnetwork)无线下载节点更新。Z-Stack还支持具备定位感知(locationawareness)特性的CC2431。上述特性使用户能够设计出可根据节点当前位置改变行为的新型ZigBee应用。Z-Stack与低功耗RF开发商网络是TI为工程师提供的广泛性基础支持的一部分，其他支持还包括培训和研讨会、设计工具与实用程序、技术文档、评估板、在线知识库、产品信息热线以及全面周到的样片供应服务。2007年7月，Z-Stack升级为V1.4.2，之后对其进行了多次更新，并于2008年1月升级为V1.4.3。2008年4月，针对MSP430F4618+CC2420组合把Z-Stack升级为V2.0.0，2008年8月，升级Z-StackV2.0.0支持CC2520+MSP430，2008年7月设计Z-Stack为V2.1.0，支持ZigBeePROandSmartEnergy。Z-Stack2.1.0软件全面支持ZigBee与ZigBeePRO特性集并符合最新智能能源规范，非常适用于高级电表架构(AMI)。Z-Stack2.1.0软件可与TI的SmartRF05平台协同工作，该平台包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收发器以及CC2591距离扩展器，通信连接距离可达数公里。该软件提供了其所支持的应用范例库，其中包括智能能源、家庭自动化以及无线下载(OAD)等功能。目前TI一共推出了三种Zigbee方案，如下图所示所示。TI三种ZigBee方案方案1和3功耗理想，其中方案1是单芯片方案，集成度高；方案3是采用TIMSP430，加上外置的射频收发器。方案2的Zigbee处理器可以与任何MCU接口，下一步还将和DSP对接，因此方案2更加灵活，上市时间快。ZigBee-2007规范定义了ZigBee和ZigBeePRO的两个特性集。全新ZigBee-2007规范构建于ZigBee-2006之上，不但提供了增强型功能，而且在某些网络条件下还具有向后兼容性。ZigBee特性集提供了树寻址、AODV网状路由、单播、广播和群组通信、以及安全等特性。相比之下，ZigBeePRO用随机寻址取代了树寻址；其虽然包括了ZigBee-2006和2007规范中所使用的相同的AODV路由，但是却提供了多对一源路由备选方案。ZigBeePRO还增加了有限的广播寻址功能，并增加了对“高级”安全性的支持功能。ZigBee和ZigBeePRO特性集均对可选频率捷变和拆分提供了更多的支持。ZigBee的树寻址按照等级分配地址。ZigBeePRO采用的随机寻址法随机地为设备分配地址，并通过不断监控和达到“管理”流量将冲突挑选出来。ZigBee不仅受益于可靠、独特的寻址方法，而且不存在经常性的监控通信与处理地址冲突的开销。但PRO却得益于调整功能，如当通信限制会导致一个由多个（五个以上）跳频（Hop）组成的网络时；或当一个网络由多个移动终端设备组成时，该优势是以不断增加的启动延迟为代价的，因为ZigBeePRO必须要允许一定的时间以解决地址冲突问题，而对于树寻址而言则并非必须。ZigBee和ZigBeePRO路由均使用AdHoc方式的按需距离矢量（AODV）路由协议，但是只有PRO可支持多对一路由选项。在牺牲一个较大协议栈的前提下，多对一源路由实现了快速路由建立，此时多个设备（如传感器）均向一个接收器（Sink）报告（如网关设备）。对于自主双向和点对点通信（如灯控开关和灯）来说，多对一特性就变得不那么高效了，并且在一些情况下会变得不合事宜。ZigBee和ZigBeePRO均支持集群寻址，但是PRO增加了对有限广播集群寻址的支持，可在所有集群成员相对紧密邻近时防止整个网络出现不必要的溢流（Flooding）。该特性在降低大型网络的网络宽通信开销方面极为有用，但随之而来的是占用更多宝贵的节点空间。虽然存在一些细微的差异，但ZigBee和ZigBeePRO之间最主要的特性差异就是对高级别安全性的支持。高级别安全性提供了一个在点对点连接之间建立链路密匙的机制，并且当网络设备在应用层无法得到信任时增加了更多的安全性。像许多PRO特性那样，高级安全特性对于某些应用而言非常有用，但在有效利用宝贵节点空间方面却付出很大代价。尽管ZigBee和ZigBeePRO在大部分特性上相同，但只有在有限条件下二者的设备才能在同一网络上同时使用。如果所建立的网络（由协调器建立）为一个ZigBee网络，那么ZigBeePRO设备将只能以有限的终端设备的角色连接和参与到该网络中，即该设备将通过一个父级设备（路由器或协调器）与该网络保持通信，且不参与到路由或允许更多的设备连接到该网络中。同样，如果网络最初建立为一个PRO网络，那么ZigBee设备也只能以有限的终端设备的角色参与到该网络中来。事实上，许多采用了ZigBee的产品都将是专用方案或应用规范，任何特定网络往往都只允许使用特定厂家的设备。在医疗行业尤为如此，因为目前该领域还没有定义和批准公共方案。但是，对于那些不同厂商的众多设备都必须作为一个单一协同运行网络来完成指定服务或功能的市场来说，则需要对公共方案进行规范，以保证所有网络中的设备都“讲”同一种语言，并具有互操作性。本文中的互操作性是指某公司A的一款产品（灯控开关）将可与另一家公司B的产品（灯镇流器）进行通信，而无需两家公司在此之前制定通信协议来确保设备的协同工作。ZigBee初期主要面向家庭和商业楼宇自动化市场，随着更多公司和专业人员投身于ZigBee并更好地了解其功能和差异，ZigBee开始进入更广阔的市场，除了关注于老年护理及生活辅