ZigBee技術(shù)被認(rèn)為是最有可能像WiFi、藍(lán)牙一樣改變我們現(xiàn)在生活的通信技術(shù)之一.ZigBee是讓一些設(shè)備特別是傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。
在家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域,對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈,且這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的,并能抵抗現(xiàn)場的各種電磁干擾。
Zigbee的特點(diǎn)就在于功耗更低,實(shí)時(shí)在線、同一個(gè)網(wǎng)關(guān)接入數(shù)量巨大并且可以自組網(wǎng), 在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用空間。
Zigbee技術(shù)
Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí),通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴,達(dá)到交換信息的目的。可以說是一種小的動(dòng)物通過簡捷的方式實(shí)現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),亦包含此寓意。
它是基于IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù),功耗低,被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。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,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信,每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。
ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)和性能
ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915 MHz(美國流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。
作為一種無線通信技術(shù),ZigBee具有如下特點(diǎn):
低功耗
由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。
成本低
ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。
低復(fù)雜性
zigbee協(xié)議的大小一般在4-32KB,而藍(lán)牙和wi-fi一般都超過100KB。
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。
網(wǎng)絡(luò)容量大
一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備, 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 并且在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可以有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。
網(wǎng)絡(luò)建立
zigbee能夠自動(dòng)建立其所想要的網(wǎng)絡(luò)。
可靠
采取了碰撞避免策略,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,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。
安全
ZigBee提供了基于循環(huán)沉余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證, 采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
Zigbee的技術(shù)性能
1、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率
ZigBee無線可使用的頻段有3個(gè),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、1、10個(gè);
ZigBee在中國采用2.4G的ISM頻段,是免申請和免使用費(fèi)的頻率,在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道,帶寬為250K。
2、短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)
ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸,最大速率為250K,與其他無線技術(shù)比較,適合傳輸距離相對較近;ZigBee無線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò),就是無線個(gè)人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng),對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸是非常合適的。它的應(yīng)用定位就是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。
3、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較
ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍,適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸,可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)到65535個(gè),具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢;特有的低功耗設(shè)計(jì),可以保證電池工作很長時(shí)間。
4、Zigbee物理信道
ZigBee在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道,從2.405GHz — 2.480GHz間分布,信道間隔 是5M,具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。
5、Zigbee協(xié)議棧
ZigBee采取了IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn),增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件,更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化,利于了產(chǎn)品的互連互通;ZigBee繼續(xù)與IEEE緊密結(jié)合,以保證向市場提供一種完整的集成解決方案。
6、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力,可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng),可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能,網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信;該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能;星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對較近的應(yīng)用。
7、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型
7.1網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器:
包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息,是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種,存儲容量最大、計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、 尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。
7.2全功能設(shè)備(FFD):
可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者,形成網(wǎng)絡(luò),讓其它的FFD或是RFD連結(jié),F(xiàn)FD具備控制器的功能,可提供信息雙向傳輸。
附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.15.4功能和所有特征
更多的存儲器、計(jì)算機(jī)能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由作用。
也可能做終端設(shè)備
7.3精簡功能設(shè)備(RFD):
RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。
附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性
在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。
ZigBee相對簡單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。
RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路,降 低了ZigBee部件成本,而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。
8、Zigbee抗干擾能力
ZigBee在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術(shù)(Direct Sequence / Frequency Agility),ZigBee的處理增益最大,抗干擾和抗多徑時(shí)延擴(kuò)展的能力也最強(qiáng)。具備的頻率快變就是改變頻率,以避開從一個(gè)已知干擾源或信號源來的影響的能力;
實(shí)驗(yàn)證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率,特別是在信噪比為4dB的情況下可達(dá)到10 -9;達(dá)到同樣誤碼率,藍(lán)牙/ 802.15.1信噪比要達(dá)16dB,WLAN的802.11b要達(dá)10dB,Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN技術(shù)。
9、ZigBee可靠鏈路
9.1物理層RF通信鏈路
直序擴(kuò)頻采用高處理增益
明晰的信道檢測
對干擾能量進(jìn)行檢測
采用跳頻技術(shù)Freqencyagility
9.2協(xié)議
基于CRC的誤碼檢測/校正
采取了避免沖突的策略CSMA/CA
為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專業(yè)的有保證的時(shí)隙
發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn),如出現(xiàn)問題進(jìn)行重發(fā)
保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸Packet data freshness
9.3通信可靠機(jī)制
ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機(jī)制,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)使得競爭和沖突;明晰的信道檢測;
MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認(rèn)信息。
9.4網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)
ZigBee的自組織功能:無需人工干預(yù),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在,并確定連接關(guān)系,組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò);
ZigBee自愈功能:增加或刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng),節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等,網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù),并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整,無需人工干 預(yù),保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。
ZigBee技術(shù)RF物理層上的設(shè)計(jì)保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和通信可靠性。ZigBee技術(shù)在通信協(xié)議上的可靠設(shè)計(jì),保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和通信可靠性。
ZigBee聯(lián)盟
ZigBee聯(lián)盟成立于2001 年8 月。到目前為止,除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國際知名的大公司外,該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè),并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP 服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及OEM 商等,例如Honeywell、Eaton 和InvensysMeteringSystems 等工業(yè)控制和家用自動(dòng)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(fù)責(zé)開發(fā)ZigBee 物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4 工作組。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域,對于無線網(wǎng)絡(luò)的要求與民用場合有很大區(qū)別。它通常對數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低,功率消耗要低。
此外,簡單方便、可以隨意使用的無線裝置大量涌現(xiàn),需要布置大量的無線接入點(diǎn),而低廉的價(jià)格將起著關(guān)鍵作用。所以ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)要解決的問題是設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無線收發(fā)信機(jī)。要考慮的核心問題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì),這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。
IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)共同制定了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)正在發(fā)展中的低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn),它是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。
IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組,負(fù)責(zé)制定物理層(PHY)和媒體接人控制(MAc)層規(guī)范,于2003年5月通過了IEEE802.15、4標(biāo)準(zhǔn);ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)全球企業(yè)聯(lián)盟,旨在合作實(shí)現(xiàn)基于全球開放標(biāo)準(zhǔn)、可靠、低成本、低功耗的無線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控產(chǎn)品,它由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、philips與Invensys共同成立,主要負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層、安全管理及應(yīng)用界面規(guī)范,于2004年12月通過了 1.0版規(guī)范。
Zigbee技術(shù)應(yīng)用
1、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型
周期性數(shù)據(jù)
傳感器數(shù)據(jù)、水電氣表數(shù)據(jù)、儀器儀表數(shù)據(jù)
間斷性數(shù)據(jù)
工業(yè)控制命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家用電器控制
反復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)
如鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù)
2、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場合
設(shè)備成本低、傳輸數(shù)據(jù)量小,設(shè)備體積小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊,沒有充足的電源支持,只能使用一次性電池。需要較大范圍的通信覆蓋,網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多,但僅僅用于監(jiān)測或控制的環(huán)境。
3、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用
3.1結(jié)合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸
利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),網(wǎng)絡(luò)采用 星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒Zigbee模塊的通信方式,有效降低了每Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗,減少了傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)相互碰撞的概率,并利 用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?,使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。
遠(yuǎn)程管理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信, 通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。
3.2醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)
利用ZIGBEE技術(shù)組成一個(gè)網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò),在樓道設(shè)置合適的路由節(jié)點(diǎn),進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn),房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接,由其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為ZIGBEE路由器,負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)。所有的ZIGBEE路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),再與ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)連接,中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在管理中心,構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò),是個(gè)通信非??煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3.3無線點(diǎn)餐系統(tǒng)
餐廳ZigBee無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成了完整的無線通訊網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了信息處理的自動(dòng)化;服務(wù)員通過手持的點(diǎn)餐終端處理顧客的點(diǎn)單,用戶訂單通過終端和大廳內(nèi)的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)的上傳到廚房和收銀臺,無線通信系統(tǒng)的ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)、無線ZIGBEE路由和無線點(diǎn)餐終端,夠構(gòu)成一個(gè) 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò),任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信。
其中任何一個(gè)ZIGBEE路由器,負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā);所有的ZIGBEE路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),與ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)連接,中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在總服務(wù)臺,構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò),是個(gè)通信非常可靠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3.4智能交通控制系統(tǒng)
采用ZIGBEE和太陽能結(jié)合的無線控制系統(tǒng),無須挖路布設(shè)控制線路,各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)組網(wǎng)連接,既降低了系統(tǒng)安裝成本,更重要的是避免了傳統(tǒng)安裝方式對交通干 擾所帶來的經(jīng)濟(jì)損失,而且也避免了由于城市快速發(fā)展,道路拓展等變化對原有預(yù)埋管線的干擾。
隨著ZigBee技術(shù)的不斷完善,它將成為當(dāng)今世界最前沿的數(shù)字化無線技術(shù)。ZigBee所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等顯著優(yōu)勢,使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBec聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi),每個(gè)家庭將擁有50個(gè)ZigBee器件,最后將達(dá)到每個(gè)家庭150個(gè)。相信在不久的將來,會有越來越多的具有ZigBee功能的產(chǎn)品進(jìn)人我們的生活,為我們的生活和工作帶來極大的方便和快捷。
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