ZigBee基本技術(shù)淺談與解析

1基本概念篇

Q1-1 ZigBee起源什么技術(shù)？

A：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(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。

Q1-2：什么是ZigBee？

A： 首先ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。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)。

Q1-3：ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)？

A： ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個方面：

（1） 低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)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(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)；

（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(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10 s、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(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)；同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個節(jié)點(diǎn)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：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz（全球）頻段。

Q1-4：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？

A： ZigBee技術(shù)本身，就是因?yàn)樘m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?yàn)?，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(kuò)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。

2通信技術(shù)篇

Q2-1： ZigBee使用那種協(xié)議？

A： IEEE 802.15.4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)。

Q2-2：為什么ZigBee無線通信使用2，4G頻段是免費(fèi)頻段？

A：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(fèi)的，包括手機(jī)通信，只不過移動運(yùn)營商已經(jīng)向國家支付了這筆費(fèi)用，并通過號碼占用費(fèi)等方式向用戶收取了這筆費(fèi)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(fèi)用。這是一筆不小的費(fèi)用，一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費(fèi)用。而免費(fèi)頻段，是指各個國家根據(jù)各自的實(shí)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(fèi)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。