ZigBee技術(shù)的原理及特點(diǎn)

當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著Internet的迅速發(fā)展和個(gè)人對數(shù)據(jù)通信需求的快速增長，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢：無線化、寬帶化和IP化。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展推動(dòng)了市場對寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求，寬帶用戶數(shù)量在全球呈現(xiàn)出非常強(qiáng)勢的增長態(tài)勢。在眾多的寬帶技術(shù)中，無線技術(shù)尤其是移動(dòng)通信技術(shù)成為近年來通信技術(shù)市場的最大亮點(diǎn)，是構(gòu)成未來通信技術(shù)的重要組成部分。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱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(dòng)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(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(shù)。

ZigBee技術(shù)的起源與發(fā)展

在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍(lán)牙，在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們的長期努力， Zigbee協(xié)議在2003年于美國正式問世了。

Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“ Homerflite”技術(shù)

2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標(biāo)準(zhǔn)， Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月

2002年下半年，英國 vensys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(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ Zigbee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。

2004年12月 Zigbee10標(biāo)準(zhǔn)(又稱為 Zigbee2004)敲定，這使得 Zigbee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。

2005年9月公布 Zig bee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。

2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出 Zigbee1.1版(又稱為 Zigbee2006)。該協(xié)議雖然命名為 Zigbee1.1，但是與 Zigbee10版是不兼容的

2007年10月完成再次修訂(稱為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本，并且加入了 Zibgeepro部分，此時(shí) Zig beel聯(lián)盟更加專注于以下三個(gè)方面：家庭自動(dòng)化、建筑商業(yè)大樓自動(dòng)化、先進(jìn)抄表基礎(chǔ)建設(shè)。

ZigBee的技術(shù)原理

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如，你可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立;每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對對象，例如傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料; 除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。

每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以可支持多到31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(3G)目的在于提供多媒體無線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。而ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。

這種無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

功耗低

工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應(yīng)用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間)之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。

數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。

網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee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(gè)基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)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3種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)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(yīng)用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主控(Master)設(shè)備，其余則是從屬(Slave)設(shè)備。若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。

兼容性

ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA-CA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

安全性

Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實(shí)際是無安全方式，對于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對稱密碼。AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

實(shí)現(xiàn)成本低

模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專利費(fèi)用。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

時(shí)延短

通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。