1 引言
人們生活水平的提高和經濟社會的發展，使的如何提高人們的生活質量，讓人們的生活更加便捷、高效、安全、舒適成為了各個學科領域的研究熱點。無線通訊技術和計算機科學技術的飛速發展使本來處於科技尖端的各種技術逐漸走入了人們的生活，逐漸成為人們生活的一部分，為人們帶來更加人性化的家居生活體驗。隨著各種無線解決方案的提出，各種無線整合晶片和模組價格的不斷下降，無線網路成為家庭智慧控制系統的首選，這不僅是因為無線網路可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合佈線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網路的通訊特點[1]——近距離、低速、實時。ZigBee 從成立之初就致力於低功耗、低速率、高效率的短距離通訊，其最初的應用領域就是面向家庭自動化，曾一度被稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”，隨著ZigBee 技術的不斷改進、成熟，更顯現出在家庭智慧控制領域的強大優勢。本文將介紹ZigBee 的特點及其優勢，分析ZigBee協議棧，並指出將ZigBee 應用於家庭控制領域的幾點關鍵。
2 ZigBee 技術
ZigBee 技術是一種近距離、低複雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，它主要工作在無須註冊的ISM 頻段，典型傳輸範圍在10～ 75m。ZigBee 主要通過降低收發信機的忙閒以及資料傳輸的頻率，降低幀開銷，並且實行嚴格的功率管理機制, 例如關機及睡眠模式等方式來降低裝置的綜合功耗。ZigBee 基於 IEEE802.15.4 無線標準研製，它在IEEE802.15.4 規範的基礎上定義了高層規範，達到了產品的互操作和相容性。ZigBee 協議棧由高層應用規範、應用支援子層、網路層、媒體訪問控制層和物理層組成，網路層及其以上的協議由ZigBee 聯盟負責制定，IEEE 則制定物理層 ( PHY) 和媒體訪問控制層 (MAC)標準[2]。
2004 年ZigBee Alliance 釋出了第一個規範ZigBee V1.0，但由於推出比較倉促，並不實用。隨後幾年中ZigBee Alliance 不斷壯大，分別於2006 年和2007 年釋出了ZigBee Special2006 和ZigBee Special 2007，在ZigBee Special 2007 中對組網方式，功耗管理及互操作性等方面進行了進一步的擴充和管理[3]，ZigBee 技術逐漸完善。2009 年ZigBee Alliance 釋出了最新的RF4CE 規範[3]，進一步完善了ZigBee 在無線感測控制領域的應用。ZigBee 致力於低速率、高效率，相對於目前存在的其他無線網路技術具有以下優勢：
功耗低：工作模式情況下，ZigBee 技術傳輸速率低，傳輸資料量很小，因此訊號的收發時間很短，在非工作模式時，ZigBee 節點處於休眠模式。且通訊時延和從休眠狀態啟用的時延都很短，裝置搜尋時延一般為30ms，休眠啟用時延為15ms，活動裝置通道接入時延為15ms。同時， ZigBee 技術在協議上對電池使用也作了優化。ZigBee 節點的電池工作時間可長達數年。
資料傳輸可靠：2.4GHz 頻段的ZigBee 採用O-QPSK 調製和直接序列擴頻（DSSS）通訊，為低信噪比環境的應用提供了額外的效能[4]。媒體接入控制層（MAC 層）採用talk-when-ready 的碰撞避免機制。在這種完全確認的資料傳輸機制下，當有資料傳送需求時立刻傳送，傳送的每個資料包都必須等待接收方的確認資訊，並進行確認資訊回覆，若沒有得到確認資訊的回覆就表示發生了碰撞，將再傳一次，採用這種方法大幅提高了系統資訊傳輸可靠性。
ZigBee 網路具有自組織及自愈功能：網路節點能自動感知其他節點的存在，並確定連線關係，組成結構化的網路；增加、刪除或移動節點，節點發生故障等等，網路都能夠自我修復。這點很適合家庭中隨時增加或移除家電的情況。
網路容量大：一個ZigBee 網路可容納一個主（Master）裝置和254 個從（Slave）裝置。
若是通過網路協調器（Network Coordinator），整個網路最多可支援超過64000 個節點，而且各Network Coordinator 可互相連線。
安全性高：ZigBee 提供了資料完整性檢查和鑑權功能，在資料傳輸中提供了三級安全性。第一級為無安全方式。對於第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取資料。第三級安全級別在資料轉移中採用屬於高階加密標準（AES）的對稱密碼。AES 可以用來保護資料淨荷和防止攻擊者冒充合法器件。
實現成本低：由於其協議免專利費用，使用頻段免執照,協議套件緊湊而簡單，所以實現成本很低。
為降低功耗和系統開銷，ZigBee 將網路中的裝置劃分為兩類，一種是全功能器件（FFD），它承擔網路協調者的作用，可以用來建立網路和充當路由裝置，可以同網路中的任何裝置通訊，支援任何拓撲結構；另一種是簡化功能器件（RFD），它只能與FFD 通訊，通常只用於星型拓撲結構中。
3 ZigBee 結構
ZigBee 採用OSI 分層結構，但是並沒有完全實現OSI 的7 層結構網路模型，其結構如下所示：
ZigBee 協議棧的不同層通過服務接入點（SAPs）進行通訊, 大多數層有兩個介面：資料實體介面和管理實體介面。資料實體介面的目標是向上層提供所需的常規資料服務。管理實體介面的目標是向上層提供訪問內部層引數、配置和管理資料的機制[3]。
物理層（PHY）由射頻收發器及底層控制模組組成，負責資料包的傳送和接收，採用直接序列擴頻技術降低了數字積體電路的成本。媒體訪問控制層（MAC）提供了網路的定義，包括PAN ID，網路發現，時隙管理，通道接入以及安全機制等功能，採用載波偵聽多址/衝突避免（CSMA/CA）的通道訪問方式和完全握手協議來提高資料傳輸的可靠性。
網路層（NWK）負責拓撲結構的建立和維護，命名和繫結服務，包括網路中資料包的廣播，決定資料包的路由，確保資料包點對點正確可靠傳輸等。
應用支援子層（APS）充當應用物件上的過濾器，它負責管理應用物件的應用剖面和組，傳送訊息前應用物件的應用剖面和組的歸屬檢測，訊息在不同應用物件上的路由，網路層傳遞訊息的對映，並維護一個本地繫結表。
ZigBee 裝置物件（ZDO）包括了ZigBee 裝置屬性層（ZDP）負責本地和空中網路管理，全域性裝置管理，安全機制及當前節點的網路狀態，提供了發現服務和服務發現，繫結和特殊安全設定等功能，為應用層提供了直接與網路層互動的介面。
應用框架（AF）包含了ZigBee 簇庫，為應用提供了一個執行框架。ZigBee 中使用應用物件來區分一個節點上不同的應用，每個節點上最多能有240 個應用物件共享一個無線收發模組。
所有的.層都維護一個資訊資料庫，資訊資料庫中記錄了層的當前設定，可以通過高層或者是管理SAPs 來設定資訊資料庫中的域。
4 ZigBee 應用於家庭無線控制的關鍵
4.1 應用物件和繫結
應用物件是應用層中的一種規範，一個應用物件就是一種應用的實現，比如燈的開關為一個應用物件。ZigBee 通訊其實就是應用物件之間通過簇交換資訊的過程。每個物理節點最多能包含256 個應用物件，地址從0 到255，可供使用者使用的為1~240，其中應用物件0和255 為兩個特殊物件，0 用來配置和管理整個ZigBee 裝置，255 為廣播物件，241~255 為保留物件[5]。應用物件的引入使得不同的應用剖面可以共存在同一個節點中；不同的控制可以在同一個節點中實現；不同的應用可以共用同一個射頻收發裝置。大幅度地降低了構建網路系統的複雜度和成本。
繫結是指在兩個應用物件上建立一條邏輯鏈路，繫結機制允許將兩個互補的應用物件進行配對，使得應用服務在不知道目標地址的情況下也能向對方的應用服務傳送資料包。傳送時使用的目標地址將由應用支援子層從繫結表中自動獲得[5] [6]。繫結表由應用支援子層實時維護，當一個裝置的短地址發生改變時，繫結表入口將由APS 自動更新。經過繫結的應用物件在傳送資料時不用關注自己的目標物件的地址，資料會自動傳送到所有已和其繫結的目標物件中，節省了節點開銷提高了傳輸效率。在ZigBee 協議中繫結是一種雙向多路選擇，一個應用物件可以和多個其他能配對的應用物件進行繫結，如下所示：
ZigBee 應用物件可以通過自動繫結，輔助繫結，集中式繫結，或是由應用層來建立繫結。ZigBee 的繫結機制使得家庭無線控制網路中的具有操作關聯性的設施集中到有限的物理節點上，有效降低了網路複雜度和系統成本。
4.2 頻率捷變
ZigBee 採用的2.4GHz ISM 頻帶為免執照頻帶，使用這一頻帶意味著能將裝置快速部署到全球，並且帶來更高的價效比，和市場佔有率，因此共享此頻帶的無線通訊技術不斷的增加，這些除ZigBee 以外的2.4GHz 通訊裝置就成為了ZigBee 網路中的干擾源。從ZigBeeSpecial 2007 以後ZigBee提供了頻率捷變方案及良好的選擇性以儲存與該頻帶中其他裝置的良好共存。
頻率捷變是一種極其緩慢的跳頻演算法。資料包錯誤率 (PER) 高於特定閾值之前，網路會一直停留在同一通道上。在實際應用中，當其發現一個受干擾極少的通道時，它就會停留在那裡直至發生新的干擾。頻率捷變的優點在於，當干擾模式發生極小變化時，開銷極小，而且吞吐量大；但是當受到像藍芽這樣的跳頻干擾源干擾時，該系統應有足夠的耐心去等待跳頻干擾源轉移至下一個通道，並且當一個新的靜態干擾源干擾系統時它可以繼續迅速傳輸。頻率捷變示意圖如下所示：
4.3 家庭無線控制系統結構
集中控制器是整個系統中的控制裝置，採用高效能的RSIC 結構微處理器構建，除具備人性化的人機介面外，還帶有能與其他網路互聯的模組以實現家庭裝置的隨時隨地監控。由於單個家電裝置的控制一般比較簡單，所以網路節點採用高整合度的ZigBee SOC 器件，比如典型的CC2430,CC2530，他們不但具有完整的射頻收發電路而且帶有增強型的8 位MCU，在實現無線資料收發的同時就能完成對家電裝置的控制。不但節約了單位成本，而且提供了更好的功耗控制和相容性。
網路拓撲結構的選取關係到家庭無線控制系統的效能，對於家庭無線網路具有以下的約束：節點裝置數量巨大且不統一；室內環境阻擋較多；系統開銷儘可能小，成本儘可能低；家庭中有可能有多種無線網路系統所以要求網路具有一定的健壯性。針對這些約束採用簇狀網路結構，簇狀網路是一種點對點拓撲結構的擴充套件，支援ad-hoc 網路，允許通過多跳路由的方式在網路中傳輸資料，它不但覆蓋範圍寬易於擴充套件，而且降低了中心節點的負載水平。
可將家庭設施分門別類後作為路由節點加入網路，每個類別的子裝置之間可以通過類別路由節點進行互操作，當有新的設施購入時可以作為路由節點或者某個類別的子節點加入。
ZigBee 是一項新興的短距離無線通訊技術, 它彌補了低成本、低功耗和低速率無線通訊市場的空缺, 是無線個人區域網路不可缺少的組成部分。同時，它也已被業界認同為感測網路的基本通訊技術。隨著 ZigBee 技術的不斷完善和發展，其大量豐富而便捷的應用，保證了 ZigBee 技術具有獨特的生存空間。
參考文獻
[1] 周遊, 方濱, 王普, 基於ZigBee 技術的智慧家居無線網路系統[J].電子技術應用, 2005,9.
[2] IEEE 802 Std less Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY). Specifications forLow Rate Wireless Personal Area Network[S].
[3] ZigbeeAlliance. [EB/OL].2009-05.
[4] Drew Gislason. ZigbeeWirelessNetworking[M]. Newnes，2008.8.29.
[5] Zigbee ee Specification2006. [S].
[6] Rogelio Reyna Garcia. Understanding the Zigbee stack. [EB/OL].2008.