一文讀懂ZigBee技術(shù)的前世今生

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、藍牙之外，ZigBee是目前最重要的無線通信協(xié)議之一，主要應用于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等領(lǐng)域。關(guān)于ZigBee，下文采用問答形式向你詳細地介紹了方方面面，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！

一、起源歷史篇

1ZigBee起源什么技術(shù)？

在藍牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術(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，藍牙技術(shù)顯得太復雜，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”，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)。

3ZigBee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（不足藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，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；

（5）短時延：ZigBee的響應速度較快，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)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要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準（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，藍牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到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，就是因為蘭牙技術(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)拓撲結(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。

二、通信技術(shù)篇

1ZigBee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。在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負責。

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的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過 100mW。

3ZigBee僅適合近距離通信嗎？

ZigBee局域網(wǎng)絡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，而且還可以通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠的ZigBee控制網(wǎng)絡。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。

4ZigBee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，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。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)重復使用，其頻率復用率為2/3（FDMA和TDMA的頻率復用率為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、標準加密算法等，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。