淺析關(guān)于ZigBee的一切！

本文采用問答形式向你詳細(xì)地介紹了方方面面，不夸口的說，你所需要知道的關(guān)于 ZigBee的一切，在這里基本可以了解到！

在智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，時下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無人不知，無人不曉。作為除了WiFi、藍(lán)牙之外，ZigBee是目前最重要的無線通信協(xié)議之一，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等領(lǐng)域。

Chapter1 起源歷史篇

1、ZigBee起源什么技術(shù)？

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，但仍存在許多缺陷。

對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(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)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，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)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。

2、什么是ZigBee？

首先ZigBee的Mac層、PHY層是 IEEE802.15.4協(xié)議的。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。

由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉 所在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種 無線信息傳輸技術(shù)。

3、ZigBee技術(shù)有哪些特點？

ZigBee的特點主要有以下幾個方面：

（1）低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時；

（2）低成本：通過大幅簡化協(xié)議是成本很低（不足藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費；

（3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；

（4）近距離：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)；

（5）短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s；

（6）高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)；

（7）高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性；

（8）免執(zhí)照頻段：使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段，915MHz（美國），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。

由于此三個頻帶物理層并不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為0.6MHz， 2MHz和5MHz。分別有1個， 10個和16個信道。這三個頻帶的擴頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴頻都使用直接序列擴頻（DSSS），但從比特到碼片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。

在發(fā)射功率為0dBm的情況下，藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米（TI CC2530不加功率放大）。

所以，ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù)。

4、為什么說ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動化對可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需求而產(chǎn)生的？

ZigBee 技術(shù)本身，就是因為藍(lán)牙技術(shù)不能滿足工業(yè)自動化中，對低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性的無線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因為，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。

ZigBee技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動路由，動態(tài)組網(wǎng)，直序擴頻的方式。就是為了滿足工 業(yè)自動化控制現(xiàn)場的這種需要。

Chapter2 通信技術(shù)篇

1、ZigBee使用那種協(xié)議？

IEEE802.15.4協(xié)議，這是一種低傳送速率的無限PAN的協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

2、為什么ZigBee無線通信使用2.4G頻段是免費頻段？

在我國和世界上大多數(shù)其他國家，一般使用無線電設(shè)備都是要付頻率使用費的，包括手機通信，只不過移動運營商已經(jīng)向國家支付了這筆費用，并通過號碼占用費等方式向用戶收取了這筆費用。

在使用其它無線設(shè)備時，你首先要向國家相關(guān)部門申請頻率使用許可，然后根據(jù)你的無線設(shè)備所使用的頻率，功率大小和數(shù)量收取費用。這是一筆不小的費用，一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費用。

而免費頻段，是指各個國家根據(jù)各自的實際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規(guī)定的一致性，而劃分出來的一個頻段，專門用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用（ISM頻段），不需申請而可以免費使用的頻段。

我們國家的2.4G頻段，就是這樣一個頻段。然而，為了保證大家都可以合理使用，國家對該頻段內(nèi)的無線收發(fā)設(shè)備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過 100mW。

3、ZigBee僅適合近距離通信嗎？

ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過提高每個節(jié)點模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點數(shù)量來擴展網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠(yuǎn)的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。但是，在進行擴張要注意的是：

（1）隨著發(fā)射功率的增加，耗電量自然要增大，只要求耗電也大，便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢；

（2）盡管2.4Ghz是免費頻段，但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。

4、ZigBee采用直序擴頻的通信方式有什么好處？

同樣的頻段，采用不同的通信方式則結(jié)果也許會有很大的差別，例如ASK，F(xiàn)SK，F(xiàn)HSS，DSSS等的抗干擾能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。 ZigBee系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)一樣，都采用的是直序擴頻技術(shù)（DSSS），它是一種抗干擾能力極強，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過這兩種技術(shù)的通信產(chǎn)品，你會發(fā)現(xiàn)兩者在可靠性上不同凡響。

由于擴頻技術(shù)在正常通信時所要求的信噪比可以很低，也就是說，在干擾很強的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據(jù)計算和實驗，這相當(dāng)于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。換句話說，它可以使用較低的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離。下面引用擴頻技術(shù)優(yōu)越性有關(guān)的一些資料供參考：

CDMA是繼世界上推出數(shù)字通信技術(shù)之后，1995年又推出的一種新型數(shù)字蜂窩技術(shù)，它利用數(shù)字傳輸方法，采用擴頻通信技術(shù)，大幅度地提高了頻率利用率，具有容量大、覆蓋范圍廣、手機功耗小、話音質(zhì)量高的突出優(yōu)點，將移動通信技術(shù)推向發(fā)展新階段。CDMA（碼分多址連接）蜂窩系統(tǒng)與FDMA（頻分多址連接）和 TDMA（時分多址連接）系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點：

（1）抗干擾性能好由于CDMA 經(jīng)過擴頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。

（2） 抗多徑衰落能力強多徑衰落是影響移動通信質(zhì)量的一個突出問題，通常必須采取空間分集、自適應(yīng)均衡等技術(shù)加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)可以利用 多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提Qualcomm.html‘ target=’_blank‘》高通信質(zhì)量。

（3）系統(tǒng)容量增大對于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點或時隙一 分配完，則小區(qū)就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限系統(tǒng)，在指定的干擾電平下，即使用戶數(shù)已達(dá)到限定數(shù)目時，也還允許增加個別用 戶，其缺點是造成話音質(zhì)量下降。業(yè)務(wù)提供者可在容量與話音質(zhì)量之間進行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術(shù)大大降低了干擾信號的強度和所需的信噪比 要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據(jù)介紹，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的 11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。

（4）通信質(zhì)量好CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴頻技 術(shù)，綜合應(yīng)用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術(shù)克服多徑效應(yīng)，可以獲得很強的抗干擾能力，加上它在越區(qū)切換時采用先建立后中斷的軟切換技術(shù)，保證了CDMA的通信質(zhì)量，特別在越區(qū)切換時無乒乓效應(yīng)。本系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)來確保高質(zhì)量話音 和數(shù)據(jù)傳輸。

（5）頻率利用率高CDMA系統(tǒng)的同一頻率，可以在所有小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用，其頻率復(fù)用率為2/3（FDMA和TDMA的頻率復(fù)用率為1/7），不需要FDMA和TDMA那樣進行頻率配置，大大簡化了小區(qū)分裂和微蜂窩引入。

（6）多址能力強CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴頻編碼方案有關(guān)，與同時發(fā)送信號的用戶間的多址干擾（即擴頻編碼的相關(guān)特性） 有關(guān)，與允許的接收質(zhì)量有關(guān)（輸出信噪比），因此同時工作用戶間的多址干擾越低，能允許的接收質(zhì)量越低，CDMA技術(shù)的多址能力就越強。

（7）高度可靠的保密安全性CDMA移動通信系統(tǒng)是一個保密通信系統(tǒng)，若再加一定的加密算法技術(shù)，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統(tǒng)所無法比 擬的。分析其采用的擴頻系統(tǒng)，要想截獲別人的通信內(nèi)容幾乎是不可能的，如只要機內(nèi)鋰電池不放完電，它以512KHz的時鐘頻率加以改變其序列的即時狀態(tài)， 即使是連續(xù)工作，它的擴頻地址序列周期也長達(dá)7年。它還可以方便地在CDMA系統(tǒng)設(shè)置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標(biāo)準(zhǔn)加密算法等，使通信的保密性更 為可靠。

（8）手機功耗小CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調(diào)高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，F(xiàn)DMA的 最小功率為5mW、平均發(fā)射功率為794 mW、峰值功率為3W，而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發(fā)射功率為5 mW、 峰值功率為100mW。由此可見CDMA的平均發(fā)射功率和最大發(fā)射功率比FDMA低，從而使系統(tǒng)容量增加，減少了小區(qū)數(shù)和降低設(shè)備成本。

5、ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺的比較有哪些特點？

其優(yōu)點如下：

（1）可靠性高：由于ZigBee模塊的集成度遠(yuǎn)比一般數(shù)傳電臺高，分離元器件少，因而可靠性更高；

（2）使用方便安全：因為集成度高，比起一般數(shù)傳電臺來，ZigBee收法模塊體積可以做得很小，而且功耗低，最大發(fā)射電流比一個CDMA手機還要小許多，因而很容易集成或直接安放在到設(shè)備之中，不僅使用方便，而且在戶外攜帶使用時不容易受到損壞；

（3）抗干擾力強，保密性好，誤碼率低：ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G 直序擴頻技術(shù)，比起一般FSK，ASK和跳頻的數(shù)傳電臺來，具有更好的抗干擾能力，和更遠(yuǎn)的傳輸距離；

（4）免費頻段：ZigBee使用的是免費頻段，而許多數(shù)傳電臺所使用的頻段不僅需要申請，而且每年都需要向國家無委會交納相當(dāng)?shù)念l率使用費；

（5）價格低： ZigBee數(shù)傳模塊的價格只有具有類似功能的數(shù)傳電臺的幾分之一。

6、為什么ZIGBEE的抗干擾性能高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)？

摩爾實驗室（MORLAB）經(jīng)過近段時間對ZigBee技術(shù)的研究及相關(guān)測試實踐總結(jié)出如下幾點，這也是ZigBee產(chǎn)品抗干擾能力強的主要原因。

ZigBee抗干擾特性主要是抗同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。主要特性如下：

1、空閑信道評估（Clear Channel Assessment，CCA）：

判斷信道是否空閑。IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機制中提供CCA的能力，即如果信道被其他設(shè)備占用，則允許傳輸退出而不必考慮采用該信道的通信協(xié)議。

現(xiàn)主要有3種空閑信道評估模式：

（1）判斷信道的信號能量，若信號能量低于某一個門限量，則認(rèn)為信道空閑；

（2）判斷無線信道的特征，這特征主要包括兩方面，即擴頻信號和載波頻率；

（3）綜合前兩種模式，同時檢測信號強度和信號特征，給出信道空閑判斷。

2、動態(tài)信道選擇：

ZigBee 個人區(qū)域網(wǎng)（PAN）中的協(xié)調(diào)器（網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護）。首先要掃描所有的信道，然后確認(rèn)并加入一個合適的PAN（不需要創(chuàng)建一個新的PAN），減少同頻段PAN的數(shù)量，降低潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上，協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個新的信道。

3、信道算法：

在網(wǎng)絡(luò)初始化或者響應(yīng)中斷時，ZigBee 設(shè)備都會先掃描一系列被列入信道表參數(shù)中的信道，以便進行動態(tài)信道選擇，按照上述空閑信道來設(shè)置信道表參數(shù)，以便加強網(wǎng)絡(luò)的共存性能。

在嚴(yán)重干擾期間，ZigBee不改變信道，而是依靠其低占空比、免沖突算法（每個設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前偵聽信道）來減小由于傳輸沖突所造成的數(shù)據(jù)丟失。

4、 直序擴頻技術(shù)（DSSS） 和頻率快變FA：

直接序列擴頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果（如下圖所示），在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)（發(fā)射功率為0dBm的情況下，Bluetooth有10m作用范圍，而ZigBee在室內(nèi)能達(dá)到30——50m作用范圍）。所謂頻率快變是改變頻率、以避開一個已知干擾源或信號源的影響。

由上圖可見，ZigBee的誤碼率在信噪比為4dB的情況下可達(dá)10-9 ，要達(dá)到同樣誤碼率，Wi-Fi要達(dá) 10dB，藍(lán)牙高達(dá)16dB， ZIGBEE的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)。

5、應(yīng)答重傳和幀緩存：

ZigBee的MAC層和應(yīng)用層（APS部分）具有自動請求重傳ARQ和幀緩存功能。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)幀給設(shè)備時，如果接收設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀，那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時緩存該幀，直到接收端接收該幀。

雖然調(diào)制方式很簡單，但ZigBee在2.4GHz ISM頻段表現(xiàn)出了很好的抗干擾性能，非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合。目前ZiBee產(chǎn)品在CE認(rèn)證中主要采用的測試標(biāo)準(zhǔn)為EN300328、而在FCC中則主要采用Part 15C的測試。

Chapter3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)篇

1、ZigBee是具有怎樣的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)？

簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無線擴展。

ZigBee 是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似 移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里。

與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連接。

每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD和RFD）可以支持多達(dá)31個的傳感器和受控設(shè)備，每一個傳感器和受控設(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。

2、ZigBee所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？

舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當(dāng)一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進行刷新。這就是自組織網(wǎng)。

3、ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？

網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達(dá)目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制 而言則非常重要。

4、為什么自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式？

所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。

在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。

在實際工業(yè)現(xiàn)場，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài) 路由結(jié)合網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

1、ZigBee和現(xiàn)有的通信移動網(wǎng)（GPRS，CDMA-1X）比較有哪些特點？

其特點為：

（1）無網(wǎng)絡(luò)使用費：使用移動網(wǎng)需要長期支付網(wǎng)絡(luò)使用費，而且是按節(jié)點終端的數(shù)量計算的，而ZigBee沒有這筆費用；

（2）設(shè)備投入低：使用移動網(wǎng)需要購買移動終端設(shè)備，每個終端的價格在人民幣1000元上下，而使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不僅ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊（相當(dāng)于基站）費用每只人民幣不到1000元，而且，主要使用的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點（相當(dāng)于手機）的價格還要低得多；

（3）通信更可靠：由于現(xiàn)有移動網(wǎng)主要是為手機通信而設(shè)計的，盡管CDMA-1X和GPRS可以進行數(shù)據(jù)通信，但實踐發(fā)現(xiàn)，不僅通信速率比設(shè)計速率低很多，而且 數(shù)據(jù)通信的可靠信、連續(xù)性在許多情況下也得不到保證。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)則是專門為控制數(shù)據(jù)的傳輸而設(shè)計的，因而控制數(shù)據(jù)的傳輸具有相當(dāng)?shù)谋ＷC；

（4）高度的靈活性和低成本：首先，通過使用覆蓋距離不同，功能不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以及其它非ZigBee系統(tǒng)的低成本的無線收發(fā)模塊，建立起一個 ZigBee局部自動化控制網(wǎng)，再通過互聯(lián)網(wǎng)或移動網(wǎng)與遠(yuǎn)端的計算機相連，從而實現(xiàn)低成本，高效率的工業(yè)自動化遙測遙控；

（5）比起現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)來，盡管ZigBee僅僅只是一個局域網(wǎng)，但通過提供足夠的數(shù)據(jù)出口，它可以“無限”擴大它的覆蓋范圍，而且可以與現(xiàn)有的移動網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)和其它通信網(wǎng)絡(luò)相連接。并通過這些網(wǎng)絡(luò)將許多個ZigBee局域網(wǎng)相互連成為一個整體。有效的解決移動網(wǎng)的盲區(qū)覆蓋問題：我們知道，現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)在許多 地方存在盲區(qū)，特別是鐵路，公路，油田，礦山等野外，更是如此。而增加一個移動基站或直放站的費用是相當(dāng)可觀的，此時使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行盲區(qū)覆蓋不 僅經(jīng)濟有效，而且往往是現(xiàn)在唯一可行手段。

6、ZigBee怎樣實現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測遙控？

ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以通過接口卡等多種方式，與互聯(lián)網(wǎng)，GPRS網(wǎng)，CDMA1x網(wǎng)以及其它通信系統(tǒng)線連接，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。你也可以通過其它網(wǎng)絡(luò)，將兩個或多個局部ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

Chapter4 市場應(yīng)用篇

1、ZigBee技術(shù)有哪些應(yīng)用領(lǐng)域？

ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對，工業(yè)，家庭自動化，遙測遙控，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，油田，電力，礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

2、ZigBee實現(xiàn)了哪些工業(yè)現(xiàn)場對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?/p>

要求低功耗，低數(shù)據(jù)量（250KPS），低成本，使用免費的ISM頻段（2.4G），高的抗干擾性能的直序擴頻通信方式（DSSS），高保密性（64位出廠編號和支持AES-128加密），高集成度和高的可靠性；

節(jié)點模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，采用了包括網(wǎng)狀網(wǎng)在內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用了碰撞避免機制，信息在整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由的方式進行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3、ZigBee可以在哪些方面拓展應(yīng)用？

ZigBee 應(yīng)用：其范圍非常廣泛，可以針對工業(yè)自動化、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護理、油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。

實際應(yīng)用舉例如下：照明控制、環(huán)境控制、自動讀表系統(tǒng)、各類窗簾控制、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、大型空調(diào)系統(tǒng)、內(nèi)置家居控制的機頂盒及萬能遙控器、暖氣控制、家庭安防、工業(yè)和樓宇自動化。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進行定位。

4、凡符合什么條件的短距離通信就可以考慮采用ZigBee技術(shù)？

通常，符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應(yīng)用ZigBee：

（1）需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點多；

（2）要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而要求設(shè)備成本低；

（3）要求數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高；

（4）要求設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；

（5）可以用電池供電；

（6）地形復(fù)雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋；

（7）對于那些現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)的盲區(qū)進行覆蓋；

（8）已經(jīng)使用了現(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)進行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)。

5、ZigBee技術(shù)在我國的應(yīng)用情況怎樣？

盡管國內(nèi)不少人已經(jīng)開始關(guān)注ZigBee這項新技術(shù)，而且也有不少企業(yè)開始涉足ZigBee技術(shù)的開發(fā)，然而，考慮到ZigBee本身是一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，應(yīng)用軟件的開發(fā)必須用網(wǎng)絡(luò)傳輸，射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起，所以對于初期開發(fā)的企業(yè)來說具有一定的技術(shù)難度。由于各方面的制約，ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日。

但是目前已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進，一定會得到更大的應(yīng)用。但是，我們還應(yīng)該清楚的認(rèn)識到，基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)才剛剛開始發(fā)展，它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上成熟，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業(yè)的發(fā)展。

五、ZigBee聯(lián)盟

1、ZigBee聯(lián)盟的使命是什么？

ZigBee聯(lián)盟是一個高速成長的非盈利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、技術(shù)集成商以及最終使用者。聯(lián)盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。

2、ZigBee聯(lián)盟的目標(biāo)是什么？

ZigBee 聯(lián)盟的主要目標(biāo)是以通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用范圍橫跨全球的民 用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場。使得聯(lián)盟會員可以利用ZigBee這個標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺，設(shè)計出簡單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。

3、ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點是什么？

其焦點為制定網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用軟件層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測試規(guī)格；在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關(guān)注；管理技術(shù)的發(fā)展。

4、ZigBee聯(lián)盟在標(biāo)準(zhǔn)上所做的工作是什么？

ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的制定：IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標(biāo)準(zhǔn)已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會陸續(xù)發(fā)布。

由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點的4K字節(jié) 或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。

ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。

ZigBee 聯(lián)盟強調(diào)設(shè)備的互通性：很多近距離電子產(chǎn)品嵌入了ZigBee模塊都已具有ZigBee功能，還有許多各種產(chǎn)品預(yù)留了ZigBee的接口以備日后隨時升級。各類網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)也得到進一步開發(fā)，網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品支持ZigBee系統(tǒng)與家居控制網(wǎng)絡(luò)、智能建筑網(wǎng)絡(luò)及商用網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)有的設(shè)施互聯(lián)等。

5、ZigBee聯(lián)盟董事會成員有哪些企業(yè)？

以“推動者”身份加入ZigBee聯(lián)盟并成為聯(lián)盟董事會成員的企業(yè)有十六家：

康卡斯特有線（ComcastCable）

艾創(chuàng)（ItronInc.）

克羅格（TheKroger Co.）

蘭吉爾（Landis+Gyr）

羅格朗（Legrand Group）

美的集團（Midea Group）

恩智浦半導(dǎo)體（NXPSemiconductors）

飛利浦（Philips）

施耐德（Schneider Electric）

芯科（SiliconLabs）

三星（SmartThings

尚飛（SOMFY）

德州儀器（TexasInstruments）

物聯(lián)傳感（Wulian）

華為（HUAWEI）

立達(dá)信（LEEDARSON）

6、ZigBee聯(lián)盟高層有哪些人員？

ZigBee聯(lián)盟主席兼首席執(zhí)行官：Tobin Richardson。

ZigBee聯(lián)盟董事會主席：John E. Osborne II（立達(dá)信）

ZigBee聯(lián)盟董事會副主席：

Jean-Pierre Desbenoit（施耐德電氣）

HansDollee（恩智浦半導(dǎo)體）

Musa Unmehopa（飛利浦照明）

Bruno Vulcano（羅格朗集團）

David Randolph Hoelscher（華為）

Juston Zhu 朱劍（物聯(lián)傳感）（第一個華人副主席，也是第一個亞洲人副主席）

ZigBee聯(lián)盟財務(wù)官：Jean-Michel Orsat（尚飛集團）

ZigBee聯(lián)盟董事會秘書：Michael Koster（三星/ SmartThings）

Chapter6 ZigBee3.0技術(shù)

極客公園一篇《為什么要裝這么多 App 去控制我的「智能家電」？》的文章在智能家居圈子引起了很大的反響，直擊了智能家居行業(yè)不同廠家的產(chǎn)品不能互聯(lián)互通的行業(yè)痛點。

文章中寫到智能家居行業(yè)中如此多的APP給用戶造成很大的困擾。用戶如果需要使用不同廠商生產(chǎn)的智能設(shè)備，必須購買不同廠商的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)備和使用不同廠家的APP去控制智能設(shè)備，這極大的降低了用戶購買和使用智能家居產(chǎn)品的熱情。

那么造成智能家居不能實現(xiàn)互聯(lián)互通的根本原因是什么呢？那還得從智能家居產(chǎn)業(yè)鏈說起。

1、智能家居的產(chǎn)業(yè)鏈與互聯(lián)互通

智能家居產(chǎn)業(yè)鏈分為協(xié)議（或稱標(biāo)準(zhǔn)）提供商、IC芯片廠家（通常也是軟件協(xié)議棧提供商）、解決方案商、智能家居產(chǎn)品商。我們主要從智能家居產(chǎn)業(yè)鏈的源頭協(xié)議說起。

智能家居的主流協(xié)議主要分為：Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave。

Wi-Fi協(xié)議主要由于高功率、組網(wǎng)相對復(fù)雜、節(jié)點少等原因不能夠大規(guī)模應(yīng)用于智能家居的設(shè)備中，但由于Wi-Fi高傳輸率的特性非常適合應(yīng)用于智能攝像頭等智能家居產(chǎn)品。所以Wi-Fi協(xié)議在智能家居中角色主要是作為補充協(xié)議存在。

Z-Wave協(xié)議由于低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信、互通性高在歐洲得到了比較廣泛的應(yīng)用，Z-Wave的網(wǎng)關(guān)是可以控制不同廠家基于Z-Wave協(xié)議的設(shè)備，但是由于Z-Wave在頻段在908.42MHz（美國）~868.42MHz（歐洲）之間，這個區(qū)間的頻段在中國屬于工業(yè)頻段，不能夠民用，所以Z-Wave協(xié)議在國內(nèi)計幾乎沒有應(yīng)用。

ZigBee協(xié)議憑借低功耗、網(wǎng)狀組網(wǎng)、節(jié)點多、高安全性等屬性成為在智能家居行業(yè)應(yīng)用最廣泛的協(xié)議。只可惜，ZigBee協(xié)議最大的問題是互通性不好，不同廠家雖然都是采用ZigBee協(xié)議，但是就是不能互相控制。

2、ZigBee的前世今生

ZigBee協(xié)議的誕生源于對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求。為了滿足不同的應(yīng)用背景，ZigBee聯(lián)盟先后頒布：ZigBee Home AutomaTIon （ZigBee HA）， ZigBee Light Link（ZigBee LL）， ZigBee Building AutomaTIon（ZigBee BA）， ZigBee Retail Services（ZigBee RS）， ZigBee Health Care（ZigBee HC）， ZigBee TelecommunicaTIon services（ZigBee TS） 等應(yīng)用層協(xié)議來滿足智能家居、智能照明、智能建筑、智能零售、智能健康、智能通信服務(wù)等領(lǐng)域。

問題是這些應(yīng)用層協(xié)議是獨立不互通的。由于早期ZigBee版本由于標(biāo)準(zhǔn)化做的不好，給了廠商太多選擇，很多廠商雖然采用了ZigBee HA的協(xié)議，但是終端的智能家居廠商根據(jù)自家的需求定制化了ZigBee HA，而非標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議，導(dǎo)致不同廠家產(chǎn)品還是不能互聯(lián)互通。也有點類似于Android，不同手機廠商都是采用Android系統(tǒng)，但是都進行了大量的定制化，導(dǎo)致最后的手機系統(tǒng)也是千差萬別。

ZigBee聯(lián)盟對于ZigBee HA的標(biāo)準(zhǔn)化問題也是傷透了腦筋，為此，還專門組織一批組織機構(gòu)做ZigBee HA認(rèn)證，比如最新的ZigBee HA1.2認(rèn)證，只要經(jīng)過ZigBee HA1.2認(rèn)證的產(chǎn)品就能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。

智能家居不能互聯(lián)互通的根本原因是應(yīng)用智能家居最廣泛的ZigBee協(xié)議有很多應(yīng)用層協(xié)議，不同的應(yīng)用層協(xié)議彼此是獨立不互通的；另外即使采用相同的應(yīng)用層協(xié)議，也有可能由于應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的問題導(dǎo)致設(shè)備不兼容。可以說，ZigBee之前僅僅解決了智能設(shè)備的連接問題，但是沒有解決智能設(shè)備的互聯(lián)互通的問題。

3、ZigBee3.0 來解決智能家居互聯(lián)互通了！

2016年5月，ZigBee聯(lián)盟聯(lián)手ZigBee聯(lián)盟中國組成員在上海亞洲消費電子展（CES Asia）舉辦新聞發(fā)布會暨剪彩儀式，正式向亞洲市場推出了ZigBee3.0。IC廠商TI、NXP、GreenPeak、Atmel，解決方案商Wulian物聯(lián)傳感、順舟智能科技，智能家居廠商飛利浦、美的等主要智能家居上下游玩家均參加了新聞發(fā)布會。

ZigBee聯(lián)盟推出ZigBee3.0主要的任務(wù)就是為了統(tǒng)一ZigBee Home Automation （ZigBee HA）， ZigBee Light Link（ZigBee LL）， ZigBee Building Automation（ZigBee BA）， ZigBee Retail Services（ZigBee RS）， ZigBee Health Care（ZigBee HC）， ZigBee Telecommunication services（ZigBee TS）等應(yīng)用層協(xié)議，解決了不同應(yīng)用層協(xié)議之間的互聯(lián)互通問題，用戶只要購買任意一個經(jīng)過ZigBee3.0的網(wǎng)關(guān)就可以控制不同廠家基于ZigBee3.0的智能設(shè)備。

ZigBee3.0統(tǒng)一了采用不同應(yīng)用層協(xié)議的ZigBee設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、加入和組網(wǎng)方式，使得ZigBee設(shè)備的組網(wǎng)更便捷、更統(tǒng)一。另外，ZigBee3.0也進一步加強了ZigBee網(wǎng)路的安全性。

稍顯遺憾的是，ZigBee3.0并沒有統(tǒng)一ZigBee Smart Energy 應(yīng)用層協(xié)議。ZigBee應(yīng)用層協(xié)議用于讀取電表的電量數(shù)據(jù)，比如應(yīng)用了ZigBee Smart Energy的智能家庭可以知道每個家庭每月，每個星期、甚至每天的電量數(shù)據(jù)，物業(yè)管理公司和電力公司可以實時知道每個家庭的電量消耗以便收取電費。ZigBee聯(lián)盟也推出了ZigBee3.0認(rèn)證來規(guī)范各個廠商使用標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee3.0協(xié)議，以保證基于ZigBee3.0設(shè)備的互通性。

3、智能家居上下游產(chǎn)業(yè)鏈怎么看待ZigBee3.0

ZigBee3.0解決了智能家居領(lǐng)域應(yīng)用最主流協(xié)議ZigBee不同應(yīng)用層協(xié)議互聯(lián)互通的問題，也進一步標(biāo)準(zhǔn)化了ZigBee協(xié)議，向智能家居的互聯(lián)互通邁出了一大步，但是在和其他協(xié)議的互聯(lián)互通還要繼續(xù)努力。

這就需要不同的協(xié)議（或稱標(biāo)準(zhǔn)）提供商繼續(xù)在底層協(xié)議合作和妥協(xié)，這個合作和妥協(xié)的過程可能會比較艱難。目前最好的解決方案可能就是智能家居廠商的網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，做統(tǒng)一的UI交互。

Wulian物聯(lián)傳感為此推出WLink萬聯(lián)平臺，通過互利合作建立與WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)的連接，快速實現(xiàn)傳統(tǒng)照明、門鎖、家電等設(shè)備的升級，以及智能單品之間的互聯(lián)互通。

WLink萬聯(lián)平臺是一個開放性的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺，以WLink超級網(wǎng)關(guān)為核心，支持接入ZigBee協(xié)議、WiFi協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議等多種協(xié)議的設(shè)備，提供終端硬件、通信模塊、軟件應(yīng)用和云服務(wù)等多個個性化解決方案。在AWE2016上，在Wulian展廳內(nèi)設(shè)立的WLink萬聯(lián)平臺展區(qū)，就將會云集包括海爾、創(chuàng)維、海信、TCL、九陽、美的等在內(nèi)的多家知名的家電廠商。

于2017年初，海信全系列產(chǎn)品均已對接完成《海信智能家電介紹及使用教程》，而目前在WLink平臺達(dá)成合作的企業(yè)產(chǎn)品有：海信全系列家電、美的中央空調(diào)、晾霸晾衣架、霍尼韋爾煙感、寧波向往背景音樂、狗尾草小白機器人、路可視門鎖、費加羅燃?xì)?a target="_blank">探測器等等，現(xiàn)還有更多的產(chǎn)品正在對接中，后續(xù)將會有更多企業(yè)及其產(chǎn)品達(dá)成深度合作。