zigbee技術(shù)及應(yīng)用

文 | 傳感器技術(shù)（WW_CGQJS）

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)時在線、同一個網(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，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動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，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(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個月到2年左右的使用時間,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。 時延短: 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時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 一個星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備, 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 并且在一個網(wǎng)絡(luò)中最多可以有65000個節(jié)點(diǎn)連接。 網(wǎng)絡(luò)建立 zigbee能夠自動建立其所想要的網(wǎng)絡(luò)。 可靠 采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,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，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；

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，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢；特有的低功耗設(shè)計，可以保證電池工作很長時間。

4、Zigbee物理信道

ZigBee 在 2.4G 的頻段上具有 16 個信道，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、計算機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(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、計算機(jī)能力可使其在空閑時起網(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) Freqency agility

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，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專 用時隙，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：增加或刪除一個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動，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)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

ZigBee技術(shù) RF 物理層上的設(shè)計保證了較強(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，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)計一個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格的設(shè)計，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，網(wǎng)絡(luò)采用 星型或 MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r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)上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，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)南拗疲咕W(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)建成一個完整的 ZIGBEE 無線網(wǎng)絡(luò)，是個通信非?？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 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信。

其中任何一個 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)建成一個完整的 ZIGBEE 無線網(wǎng)絡(luò)，是個通信非常可靠的網(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)，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達(dá)到每個家庭150個。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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