IEEE 802.15.4網絡是指在一個POS內使用相同無線信道并通過IEEE 802.15.4標準相互通信的一組設備的集合，又名LR-WPAN網絡。在這個網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備(full-function device , FFD)和精簡功能設備(reduced-function device , RFD)。FFD設備之間以及FFD設備與RFD設備之間都可以通信。RFD設備之間不能直接通信，只能與FFD設備通信，或者通過一個FFD設備向外轉發數據。這個與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的協調器(coordinator)。RFD設備主要用于簡單的控制應用，如燈的開關、被動式紅外線傳感器等，傳輸的數據量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣RFD設備可以采用非常廉價的實現方案。

IEEE 802.15.4網絡中，有一個稱為PAN網絡協調器(PAN coordinator)的FFD設備，是LR-WPAN網絡中的主控制器。PAN網絡協調器(以后簡稱網絡協調器)除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

無線通信信道的特征是動態變化的。節點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了LR-WPAN網絡中設備的數量以及它們之間關系的動態變化。

IEEE 802.15.4標準概述

隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在人自身附近幾米范圍之內通信的需求，這樣就出現了個人區域網絡(personal area network, PAN)和無線個人區域網絡(wireless personal area network, WPAN)的概念。WPAN網絡為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。1998年3月，IEEE 802.15工作組。這個工作組致力于WPAN網絡的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)的標準化工作，目標是為在個人操作空間(personal operating space, POS)內相互通信的無線通信設備提供通信標準。POS一般是指用戶附近10米左右的空間范圍，在這個范圍內用戶可以是固定的，也可以是移動的。

在IEEE 802。15工作組內有四個任務組(task group, TG)，分別制定適合不同應用的標準。這些標準在傳輸速率、功耗和支持的服務等方面存在差異。下面是四個任務組各自的主要任務：

(1)任務組TG1：制定IEEE 802.15.1標準，又稱藍牙無線個人區域網絡標準。這是一個中等速率、近距離的WPAN網絡標準，通常用于手機、PDA等設備的短距離通信。

(2)任務組TG2：制定IEEE 802.15.2標準，研究IEEE 802.15.1與 IEEE 802.11(無線局域網標準，WLAN)的共存問題。

(3)任務組TG3：制定IEEE 802.15.3標準，研究高傳輸速率無線個人區域網絡標準。該標準主要考慮無線個人區域網絡在多媒體方面的應用，追求更高的傳輸速率與服務品質。

(4)任務組TG4：制定IEEE 802.15.4標準，針對低速無線個人區域網絡(low-rate wireless personal area network, LR-WPAN)制定標準。該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之音的低速互連提供統一標準。

任務組TG4定義的LR-WPAN網絡的特征與傳感器網絡有很多相似之處，很多研究機構把它作為傳感器的通信標準。

LR-WPAN網絡是一種結構簡單、成本低廉的無線通信網絡，它使得在低電能和低吞吐量的應用環境中使用無線連接成為可能。與WLAN相比，LR-WPAN網絡只需很少的基礎設施，甚至不需要基礎設施。IEEE 802.15.4標準為LR-WPAN網絡制定了物理層和MAC子層協議。

IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網絡具有如下特點：

(1) 在不同的載波頻率下實現了20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率;

(2) 支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構;

(3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址;

(4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(carrier sense multiple access with collision avoidance, CSMA-CA)

802.15.4簡介

802.15.4包括用于低速無線個人域網(LR-WPAN)的物理層和媒體接入控制層兩個規范。它能支持消耗功率最少，一般在個人活動空間(10m直徑或更小)工作的簡單器件。802.15.4支持兩種網絡拓撲，即單跳星狀或當通信線路超過10m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網絡層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關聯過程中指配的16位短地址。一個802.15.4網可以容納最多216個器件。下面分別介紹802.15.4的主要特點。

1.工作頻段和數據速率

802.15.4工作在工業科學醫療(ISM)頻段，它定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段物理層。免許可證的2.4GHz ISM頻段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM頻段分別只在歐洲和北美有。在802.15.4中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s(或62.5ksymbol/s)的信道，在915MHz頻段有10個40 bit/s(或40 ksymbol/s)的信道，在868MHz頻段有1個20 kbit/s(或20 ksymbol/s)的信道。ISM頻段全球都有的特點不僅免除了802.15.4器件的頻率許可要求，而且還給許多公司提供了開發可以工作在世界任何地方的標準化產品的難得機會。這將減少投資者的風險，與專門解決方案相比可以明顯降低產品成本。在保持簡單性的同時，802.15.4還試圖提供設計上的靈活性。一個802.15.4網可以根據可用性、擁擠狀況和數據速率在27個信道中選擇一個工作信道。從能量和成本效率來看，不同的數據速率能為不同的應用提供較好的選擇。例如，對于有些計算機外圍設備與互動式玩具，可能需要250 kbit/s，而對于其他許多應用，如各種傳感器、智能標記和家用電器等，20 kbit/s這樣的低速率就能滿足要求。

2.支持簡單器件

802.15.4低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常適宜支持簡單器件。在802.15.4中定義了14個物理層基本參數和35個媒體接入控制層基本參數，總共為49個，僅為藍牙的三分之一。這使它非常適用于存儲能力和計算能力有限的簡單器件。在802.15.4中定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按三種方式工作，即用作個人域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。

3.信標方式和超幀結構

802.15.4網可以工作于信標使能方式或非信標使能方式。在信標使能方式中，協調器定期廣播信標，以達到相關器件同步及其他目的。在非信標使能方式中，協調器不定期地廣播信標，而是在器件請求信標時向它單播信標。在信標使能方式中使用超幀結構，超幀結構的格式由協調器來定義，一般包括工作部分和任選的不工作部分。#p#

4.數據傳輸和低功耗

在802.15.4中，有三種不同的數據轉移：從器件到協調器;從協調器到器件;在對等網絡中從一方到另一方。為了突出低功耗的特點，把數據傳輸分為以下三種方式：

·直接數據傳輸：這適用于以上所有三種數據轉移。采用無槽載波檢測多址與碰撞避免(CSMA-CA)或開槽CSMA-CA的數據傳輸方法，視使用非信標使能方式還是信標使能方式而定。

·間接數據傳輸：這僅適用于從協調器到器件的數據轉移。在這種方式中，數據幀由協調器保存在事務處理列表中，等待相應的器件來提取。通過檢查來自協調器的信標幀，器件就能發現在事務處理列表中是否掛有一個屬于它的數據分組。有時，在非信標使能方式中也可能發生間接數據傳輸。在數據提取過程中也使用無槽CSMA-CA或開槽CSMA-CA。

·有保證時隙(GTS)數據傳輸：這僅適用于器件與其協調器之間的數據轉移，既可以從器件到協調器，也可以從協調器到器件。在GTS數據傳輸中不需要CSMA-CA。

低功耗是802.15.4最重要的特點。因為對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，例如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規模傳感器網。所以在802.15.4的數據傳輸過程中引入了幾種延長器件電池壽命或節省功率的機制。多數機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協調器之收發信機的開通時間，或者在無數據傳輸時使它們處于休眠狀態。

特點是功耗比802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預測，UWB網狀網最終將由“智能塵粒”組成，是一種精微無線電，它通過納米技術風車或光電池產生能量。UWB網狀網的應用潛力很大，美國軍方已經在測試UWB在遙測方面的應用，現在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元，而ZigBee的價格目標僅為幾美分。ZigBee聯盟相信，ZigBee芯片將像微處理器一樣無處不在，其應用將遠不止遙測遙控。

IEEE 802.15.4網絡拓撲結構及形成過程

要可以組織成星型網絡，也可以組織成點對點網絡。在星型結構中，所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。在這種網絡中，網絡協調器一般使用持續電力系統供電，而其他設備采用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機的外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用。

與星型網不同，點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內，任何兩個設備之都可以直接通信。點對點網絡中也需要網絡協調器，負責實現管理鏈路狀態信息，認證設備身份等功能。點對點網絡模式可以支持ad hoc網絡允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據。不過一般認為自組織問題由網絡層來解決，不在IEEE 802.15.4標準討論范圍之內。點對點網絡可以構造更復雜的網絡結構，適合于設備分布范圍廣的應用，比如在工業檢測與控制、貨物庫存跟蹤和智能農業等方面有非常好的應用背景。

網絡拓撲的形成過程

雖然網絡拓撲結構的形成過程屬于網絡層的功能，但IEEE 802.15.4為形成各種網絡拓撲結構提供了充分支持。這部分主要討論IEEE 802.15.4對形成網絡拓撲結構提供的支持，并詳細地描述了星型網絡和點對點網絡的形成過程。

1、 星型網絡形成

星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。任何一個FFD設備都有成為網絡協調器的可能，一個網絡如何確定自己的網絡協調器由上層協議決定。一種簡單的策略是：一個FFD設備在第一次被激活后，首先廣播查詢網絡協調器的請求，如果接收到回應說明網絡中已經存在網絡協調器，再通過一系列認證過程，設備就成為了這個網絡中的普通設備。如果沒有收到回應，或者認證過程不成功，這個FFD設備就可以建立自己的網絡，并且成為這個網絡的網絡協調器。當然，這里還存在一些更深入的問題，一個是網絡協調器過期問題，如原有的網絡協調器損壞或者能量耗盡;另一個是偶然因素造成多個網絡協調器競爭問題，如移動物體阻擋導致一個FFD自己建立網絡，當移動物體離開的時候，網絡中將出現多個協調器。

網絡協調器要為網絡選擇一個惟一的標識符，所有該星型網絡中的設備都是用這個標識符來規定自己的屬主關系。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。選擇一個標識符后，網絡協調器就允許其他設備加入自己的網絡，并為這些設備轉發數據分組。

星型網絡中的兩個設備如果需要互相通信，都是先把各自的數據包發送給網絡協調器，然后由網絡協調器轉發給對方。

2、點對點網絡的形成

點對點網絡中，任意兩個設備只要能夠彼此收到對方的無線信號，就可以進行直接通信，不需要其他設備的轉發。但點對點網絡中仍然需要一個網絡協調器，不過該協調器的功能不再是為其他設備轉發數據，而是完成設備注冊和訪問控制等基本的網絡管理功能。網絡協調器的產生同樣由上層協議規定，比如把某個信道上第一個開始通信的設備作為該信道上的網絡協議器。簇樹網絡是點對點網絡的一個例子，下面以簇樹網絡為例描述點到點網絡的形成過程.

在簇樹網絡中，絕大多數設備是FFD設備，而RFD設備總是作為簇樹的葉設備連接到網絡中。任意一個FFD都可以充當RFD協調器或者網絡協調器，為其他設備提供同步信息。在這些協調器中，只有一個可以充當整個點對點網絡的網絡協調器。網絡協調器可能和網絡中其他設備一樣，也可能擁有比其他設備更多的計算資源和能量資源。網絡協調器首先將自己設為簇頭(cluster header ,CLH)，并將簇標識符(cluster identifier, CID)設置為0，同時為該簇選擇一個未被使用的PAN網絡標識符，形成網絡中的第一個簇。接著，網絡協調器開始廣播信標幀。鄰近設備收到信標幀后，就可以申請加入該簇。設備可否成為簇成員，由網絡協調器決定。如果請求被允許，則該設備將作為簇的子設備加入網絡協調器的鄰居列表。新加入的設備會將簇頭作為它的父設備加入到自己的鄰居列表中。

上面討論的只是一個由單簇構成的最簡單的簇樹。PAN網絡協調器可以指定另一個設備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設備成為簇頭，進一步擴大網絡的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠的通信設備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數，達到減少延遲和開銷的目的。

無線個人網

無線個人網(Wireless personal area network)提供了一種小范圍內無線通信的手段。

IEEE802協議系列中定義了一系列無線網絡標準，目前已成型的無線個人網標準主要有兩個:

無線個人網絡(WPAN，IEEE802.15.1)，覆蓋了藍牙(BlueTooth)協議棧的物理層/媒體接入控制層(MAC/PHY)層。

低速無線個人網絡(LR-WPAN，IEEE802.15.4)，覆蓋了ZigBee協議棧的物理層/媒體接入控制層(MAC/PHY)層。

無線個人網與無線局域網(WLAN)的區別主要在于目標應用領域不同。

無線局域網一般用來替代有線的局域網技術。

藍牙用來替代智能設備，如電腦,手機,PDA,數碼相機/攝像機等的外接電纜。

ZigBee則應用于低速低功耗的無線網絡，如傳感器網絡,無線讀表網絡,智能玩具,智能家庭,智能農業等。

應用領域的不同決定了這三種無線網絡實現上的不同，包括：

無線的覆蓋范圍。WLAN覆蓋半徑設計值為100米，藍牙覆蓋半徑為10米，ZigBee則為50米。

設備功耗。無線局域網設備一般為插電設備， 而無線個人網設備則一般為電池設備。 ZigBee更致力于極低功耗網絡，例如不換電池能維持約10年的設備。#p#

組網形式。

無線接入方式。

網絡的安裝及網絡的生存期，等等。

無線個人網絡IEEE802.15.1: Wireless Personal Area Network, WPAN.

該標準定義一個物理層(PHY)對應于藍牙的物理層，一個媒體接入層(MAC)包括了藍牙協議棧相應的部分。

組網形式：可有兩種網絡形式。

極微網(Piconet)由一個主控設備(Master)和1到7個從屬設備(Slave)組成。

一個IEEE802.15.1設備可在一個極微網中充當主控設備，而在另一個或幾個極微網中充當從屬設備，從而將不同的極微網橋接起來，如此組成一個分散網(Scatternet)。

物理層主要特性為：GFSK調制;2.4GHz的ISM頻段;3類發射功率：第一類最高100mW(=20dBm)最低1mW，第二類最高2.5mW最低0.25mW，第三類最高1mW。

媒體接入控制層主要特性為：

基帶(Baseband)，一個每秒1600跳的跳頻信道由連續不斷的625微秒的時隙組成。雙向通信由時分雙工(Time Divison Duplex，TDD)實現。基帶支持兩種物理信道，面向連接的同步信道(Sychronous Connection-Oriented，SCO link)可用于提供雙向64kb/s的PCM話音通路，及，無連接異步信道(Asychronous Connection-Less，ACL link)用于數據通路(不對稱可達723.2kb/s，對稱可達433.9kb/s)。

鏈路管理協議(Link Manager Protocol)，負責物理鏈路的建立和管理。

邏輯鏈路控制及適配協議(Logical Link Control and Adaptation Protocol)，負責對高層協議的復用，數據包分割(Segmentation)和重新組裝(Reassembly)。

一個標準化的控制接口(Host Control Interface HCI)。

低速無線個人網絡IEEE802.15.4: Low Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN

組網形式：IEEE802.15.4的網絡設備分為兩類，完整功能設備(Full Functional Device, FFD)支持所有的網絡功能，是網絡的核心部分;部分功能設備(Reduced Functional Device, RFD)只支持最少的必要的網絡功能，網絡中一般大部分是此類設備。一般有兩種組網形式，星型網絡，以一個完整功能設備為網絡中心。 簇型網絡，在若干星型網絡基礎上，中心的完整功能設備再互相連接起來，組成一個樹型網絡。

物理層主要特性為：868MHz，915MHz，2.4GHz ISM頻段上的共27個信道。其中，信道0，868-868.6MHz,中心頻率868.3Hz。BPSK調制。提供20kb/s的數據通路。信道1-10, 中心頻率=906 + 2x(信道號-1) MHz。BPSK調制。每信道提供40kb/s的數據通路。信道11-26,中心頻率=2405 + 5x(信道號-11) MHz。O-QPSK調制。每信道提供250kb/s的數據通路。

媒體接入控制層主要特性為：CSMA/CA接入，以及可選的超級幀(Superframe)分時隙機制。

ZigBee技術概況

索諾馬溪谷，氣溫急劇上升。但這家位于吉克莊園的葡萄酒商正在通過每棵葡萄樹上的小型無線Zigbee傳感器密切地監控自己的田地。這些一枚硬幣大小的機器可以跟蹤土壤的溫度和營養成分等數據。它們利用衛星無線發射機相互連接。”當解釋Zigbee無線技術是怎樣改變我們生活的時候，《商業周刊》如是描述。然而事實或許更加美妙。
  盡管21世紀的人們并沒有實現科幻小說中的某些預言。然而更為奇妙的場景很快便會成為現實：只需一臺電腦，一切盡在掌控之中。你可以一邊從個人pc中調控欣賞在平面電視上播放的影片，一邊控制烤箱的溫度，等待享受美味的下午茶，同時密切地監控與了解一切需要關注的信息：工作室里機器的運行，實驗室里研究的進度，家中飲用水的成分和空氣中或許可能出現有毒物質的示警，酒窖里不同位置的溫度與濕度，私家公路的燈光調控，各類儀表的數據變更……不會再有過火而敗味的美食，更不會有《小鬼當家》中入室的匪徒，火災和毒氣泄漏都將最大程度地被防止，博物館的館長則不再擔驚受怕地憂慮古董名畫的命運。

而這一切，皆無需線纜。

如同計算機從單任務到多任務的跨越一般，人類將從事事親歷親為卻免不了顧此失彼的尷尬中解脫出來，同時兼顧生活與工作的方方面面，一切將變得從容而妥當。最為誘人的是，這樣的效率不需要被煩冗雜亂的設備線路所纏繞，無線傳感Zigbee將工作與生活的廣闊空濃縮于雙手可以掌控的距離

Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，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。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。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據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數據就可以進入計算機用于分析或者被另外一種無線技術如WiMax收集。

何為Zigbee

Zigbee的基礎是IEEE 802.15.4，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IEEE 802.15.4(Zigbee)技術標準。

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。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。

Zigbee聯盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟“Zigbee 聯盟”，以研發名為“Zigbee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術發展過程中的里程碑

到目前為止，除了Invensys、 三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯盟大約已有150家成員企業，并在迅速發展壯大。其中涵蓋了半導體生產商、IP服務提供商、消費類電子廠商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工業控制和家用自動化公司，甚至還有像Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開發Zigbee物理和媒體控制層技術標準的IEEE 802.15.4工作組。#p#

超越藍牙的簡單實用

1999年，藍牙熱潮席卷全球，然而發展數年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。低功耗、低成本的無線網絡要求令Zigbee應運而生，大幅簡化藍牙的復雜規格，專注于低傳輸應用。不過相關規格已與現有的藍牙脫鉤。于是有媒體甚至預言：Zigbee和UWB (Ultra-WideBand超寬頻道)切入市場可能使藍牙尚未普及即成歷史。這種論調顯然言過其實，因為Zigbee不支持語音，但Zigbee的低價格、低功耗和可靠支持成為其閃亮登場的亮點，使得它超越藍牙的簡單實用成為事實。

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。

* 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;

* 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;

* 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、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執照頻段。

隨著研究的進一步深入，傳感器將變得更小，而且功能會越來越多。最終，他們可能會微縮到塵埃大小。屆時，數以千計的微小傳感器或者稱為“智能塵埃”將被釋放到大氣中來檢測任何東西。

廣闊應用，一切無線

Zigbee主要應用在短距離范圍之內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。其典型的傳輸數據類型有周期性數據(如傳感器數據)、間歇性數據(如照明控制)和重復性低反應時間數據(如鼠標)。

根據Zigbee聯盟目前的設想，Zigbee的目標市場主要有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫護(監視器和傳感器)、工控(監視器、傳感器和自動控制設備)等非常廣闊的領域。

政府的計劃給了Zigbee更多的空間，顯示了對其無比的信心。據報道，美國能源部已經決定雇傭Honeywell International Inc.公司，希望通過使用Zigbee傳感器能夠在鋼鐵、鋁以及其他六個行業中將這些能源的成本降低15%。通過安裝在Alcoa，Dow Chemical，以及ExxonMobil等公司管道系統中傳感器，實時追蹤監測產品生產過程中的氣體使用情況。

Honeywell公司的自動控制部門的副總裁、技術總監Dan Sheflin表示：“能夠實時獲取這些數據是一件非常重要的事情。”利用這種無線技術及時采取措施來減少泄漏或者消除浪費，每年可節約的能量超過華盛頓州去年一年所使用的天然氣產生的能量總和。

至此，Zigbee的應用前景已經遠遠超過了本文初始的有限描述。Zigbee聯盟中的先行者英國Invensys、日本三菱電氣、美國摩托羅拉以及荷蘭飛利浦半導體公司以及三星、Millennial Net和Ember公司的總裁面對2007年35億美元的預計營業收入恐怕已經難忍笑意。

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。

Zigbee協議套件

    完整的Zigbee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由Zigbee聯盟制定，IEEE負責物理層和鏈路層標準。

應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到Zigbee網絡上，具體而言包括：

* 安全與鑒權;

* 多個業務數據流的會聚;

* 設備發現;

* 業務發現。

網絡層將主要考慮采用基于ad hoc技術的網絡協議，應包含以下功能：

* 通用的網絡層功能：拓撲結構的搭建和維護，命名和關聯業務，包含了尋址、路由和安全;

* 同IEEE802.15.4標準一樣，非常省電;

* 有自組織、自維護功能，以最大程度減少消費者的開支和維護成本。#p#

IEEE802系列標準把數據鏈路層分成LLC(Logical Link Control，邏輯鏈路控制)和MAC(Media Access Control，媒介接入控制)兩個子層。LLC子層在IEEE802.6標準中定義，為802標準系列共用;而MAC子層協議則依賴于各自的物理層。

IEEE802.15.4的MAC層能支持多種LLC標準，通過SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer，業務相關的會聚子層)協議承載IEEE802.2類型一的LLC標準，同時也允許其他LLC標準直接使用IEEE802.15.4 的MAC層的服務。

LLC子層的主要功能包括：

* 傳輸可靠性保障和控制;

* 數據包的分段與重組;

* 數據包的順序傳輸。

IEEE802.15.4的MAC協議包括以下功能：

* 設備間無線鏈路的建立、維護和結束;

* 確認模式的幀傳送與接收;

* 信道接入控制;

* 幀校驗;

* 預留時隙管理;

* 廣播信息管理。

IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩個物理層都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴頻)，使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。2.4GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助于Zigbee設備的推廣和生產成本的降低。2.4GHz的物理層通過采用高階調制技術能夠提供250kb/s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。868MHz是歐洲的ISM頻段，915MHz是美國的ISM頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4GHz附近各種無線通信設備的相互干擾。868MHz的傳輸速率為20kb/s，916MHz是40kb/s。由于這兩個頻段上無線信號傳播損耗較小，因此可以降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的有效通信距離，從而可以用較少的設備覆蓋給定的區域。

相對于常見的無線通信標準，Zigbee協議套件緊湊而簡單，其具體實現的要求很低，以下是Zigbee協議套件的需求估計：

* 8位處理器，如80c51;

* 全協議套件軟件需要32kbytes的ROM;

* 最小協議套件軟件大約4kbytes的ROM;

* 網絡主節點需要更多的RAM，以容納網絡內所有節點的設備信息、數據包轉發表、設備關聯表、與安全有關的密鑰存儲等。

Zigbee 的應用實例

Zigbee 技術將主要嵌入在消費性電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業控制裝置、電腦外設、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。

通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用 Zigbee 技術做無線傳輸：

1. 設備成本很低，傳輸的數據量很小;

2. .設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊;

3. .沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池;

4. .頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難;

5. .需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅僅用于監測或控制。

Zigbee 聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。

在工業領域，利用傳感器和 Zigbee 網絡，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。例如危險化學成分的檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續的狀態更新，重點在低功耗，從而最大程度地延長電池的壽命，減少 Zigbee 網絡的維護成本。

在汽車上，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內置在飛轉的車輪或者發動機中，比如輪胎壓力監測系統，這就要求內置的無線通信設備使用的電池有較長的壽命(大于或等于輪胎本身的壽命)，同時應該克服嘈雜的環境和金屬結構對電磁波的屏蔽效應。

在精確農業，或者叫精確耕種的應用中，無線電傳播特性良好，但是需要成千上萬的傳感器構成比較復雜的控制網絡。傳統農業主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設備，主要依靠人力監測作物的生長狀況。采用了傳感器和 Zigbee 網絡以后，農業將可以逐漸地轉向以信息和軟件為中心的生產模式，使用更多的自動化、網絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。傳感器可能收集包括土壤濕度、氮濃度、 pH 值、降水量、溫度、空氣濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經由 Zigbee 網絡傳送到中央控制設備供農民決策和參考，這樣農民能夠及早而且準確地發現問題，從而有助于保持并提高農作物的產量。

醫學領域，將借助于各種傳感器和 Zigbee 網絡，準確而且實時地監測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫生查房的工作負擔，有助于醫生做出快速的反應，特別是對重病和病危患者的監護和治療。

消費和家用自動化市場是 Zigbee 技術最有潛力的市場。據估測，每個家庭需要 100 到 150 個 Zigbee 設備。可以聯網的家用設備包括電視、錄像機、 PC 外設、兒童玩具、游戲機、門禁系統、窗戶和窗簾、照明設備、空調系統和其他家用電器等。家用設備引入 Zigbee 技術后，將大大改善人們居住環境和舒適度，特別適合于兒童、老年人和殘疾人士使用。同時基于 Zigbee 技術的遙控器可以實現全球漫游和無縫使用，從而在一定程度上降低這些設備的生產和使用成本。

根據業務流的特征， Zigbee 的應用可以劃分成邊疆性業務、周期性業務和間斷性業各三種。連續性業務定義為要求低時延數據傳輸的業務，鍵盤、鼠標和游戲桿屬于這種類型。周期性業務是在固定的時間間隔傳輸數據的低速率業務，傳感器、流速計和警報系統是周期性業務的代表。而間歇性業務則以不規則的時間間隔傳輸數據，室內照明設施的開關和家用電器遙控器屬于這種類型。

Zigbee 技術彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關鍵在于豐富而便捷的應用，而不是技術本身。

隨著正式版本協議的即將公布，更多的注意力和研發力量將轉到應用的設計和實現、互聯互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的內置式 Zigbee 功能的設備進入我們的生活，并將極大地改善我們的生活方式和體驗。#p#

Zigbee 技術

新興的無線個人局域網絡技術正逐漸朝商品化的階段邁進，在IEEE 802.15的標準中，除了納入藍芽(IEEE 802.15.1)之外，同時也發展高速傳輸的UltraWideBand(IEEE 802.15.3a)與低耗電的ZigBee(IEEE 802.15.4)，究竟這兩種新的WPAN技術有何特色?其對無線個人局域網絡市場的影響為何?本文將為您作進一步的分析。

便宜又省電的低速WPAN標準–Zigbee

Zigbee就如同PURLnet、RF-Lite、Firefly、HomeRF Lite等過去的短距離無線通訊技術一樣，強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網絡功能等特色，只不過Zigbee是朝著開放標準的方向發展。Zigbee一開始是由Honywell所發起，目前主要的成員包括Invensys、Mistubishi Electric、Motorola、Philips Semiconductor、Samsung等公司為推廣廠商，以及數十家的IC設計制造與系統廠商。除此之外，IEEE也將Zigbee收納為IEEE 802.15.4的標準，與Zigbee Alliance共同為此一WPAN標準催生。

規格與標準制定

ZigBee的接取方式是采直序展頻(Direct Sequence Spread Spectrum)技術，可使用的頻段有三個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段，以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、10、1個。

    ZigBee的傳輸速率介于20kbps–250kbps之間，并隨著傳輸距離的延長而減慢，例如發射功率在1mW的ZigBee產品在10公尺的距離內可達250kbps的傳輸速率，但若是將傳輸距離拉長至20公尺，則速度只剩30kbps。不過借著提高發射功率，還是可以在100公尺的傳輸距離內，達到每秒250kbps的傳輸速率。此外，由于ZigBee具備高鏈接數與低耗電的特性，在感應式網絡(Sensor Network)上的使用，就具有相當大的優勢，例如在工廠內的作業溫度量測、水電瓦斯計度的記錄、保全防護的監控上，廠商就不需經常更換電池或布建供電網絡，且只需極少的人力與設備，即可取得所需的信息。

ZigBee Alliance基本規格

頻段：全球的2.4GHz ISM頻段、歐洲的868MHz頻段，以及美國的915MHz頻段

鏈接數：支持主從式或點對點方式運作，同時最多可255個裝置鏈接(Master×1，client nodes×254)

接取方式：直列展頻技術DSSS

網絡架構：星形

傳輸速率：20kbps～250kbps

傳輸距離：10公尺(依耗電量之不同，可提升至100公尺)

可使用頻道數：在2.4GHz的ISM頻段，可使用的信道數為16個;在915MHz的ISM頻段，可使用的信道數為10個;在歐洲的868MHz頻段，可使用的信道數為1個

而在標準制定的分工上，則由ZigBee Alliance與IEEE 802.15.4的任務小組來共同擔任標準的制定。其中實體層、MAC層、數據鏈結層，以及傳輸過程中的資料加密機制等發展由IEEE所主導，并共同針對ZigBee Protocol Stack的發展進行研議，而未來還能依系統客戶的需求，來修正其所需的應用接口。

Zigbee的應用與市場發展

Zigbee的出發點是希望能發展一種易布建的低成本無線網絡，而其低耗電性可使產品的電池能維持6個月到數年的時間。在產品發展的初期，將以工業或企業市場的感應式網絡為主，提供感應辨識、燈光與安全控制等功能，再逐漸將目前市場擴展至家庭中的應用。根據Zigbee Alliance的觀點，一般家庭可將Zigbee應用于空調系統的溫度控制器、燈光、窗簾的自動控制、老年人與行動不便者的緊急呼叫器、電視與音響的萬用遙控器、無線鍵盤、鼠標、搖桿、煙霧偵測器、智能型卷標，以及玩具等產品。

目前在ZigBee標準制定發展上，IEEE已于2004年通過有關實體層與媒體儲存控制層的標準草案，因此早在2003年底，即有芯片設計廠商發表適用于868MHz頻段的ZigBee芯片，預估在2004年底，可達到商品化的目標。而投入ZigBee技術研發的廠商，對于市場的發展都抱持相當樂觀的看法。根據Adcon Telemetry AG觀點，預估全球低速通訊應用市場，將在2005年達到5.7億臺的規模，屆時不論ZigBee能取得多大的市場占有率，這都代表其可發展的空間的確具有相當大的潛力。

ZigBee與802.15.4的區別

ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。IEEE　802.15.4是IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineer， 電子電機學會)確定的低速率，無線個域網(personal area network)標準。這個標準定義了“實體層”(physical layer)和“介質訪問層”(medium access layer)。 實體層(PHY)規范確定了在2.4G赫茲以250kbps的基準傳輸率工作的低功耗展頻無線電。(另有一些以更低數據傳播率工作的915兆赫茲和868兆赫茲的實體層規范， 但它們不太流行)。

介質訪問層(MAC)規范定義了在同一區域工作的多個802.15.4無線電信號如何共享空中通道。介質存取層支持幾種架構，包括星狀拓撲結構(一個節點作為網絡協調點，類似于802.11的接入點)，樹狀拓撲結構(一些節點依次經過另一些節點才到達網絡協調點)，和網狀拓撲結構(無須主協調點，各個節點之間分享路由職責)。

但是僅僅定義實體層和介質訪問層并不足以保證不同的設備之間可以對話。于是便有了ZigBee聯盟。ZigBee從802.15.4標準開始著手，目前正在定義允許不同廠商制造的設備相互對話的應用綱要。　例如，ZigBee“燈綱要”會確定相關的所有協議，因此你從A公司買的ZigBee燈開關會和B公司的燈正常工作。

ZigBee使用直接序列擴頻技術收發電波。利用2.4GHz頻段、868MHz頻段、915MHz頻段。一次調制方式使用O-QPSK時，最大數據傳輸速度為250kbps。網絡拓撲采用網狀、星型、叢集樹狀(cluster-tree)。規定了兩種設備級別，一種是支持所有拓撲的“Full Function Device”，一種是只支持部分拓撲的“Reduced Function Device”。