zigbee技術(shù)詳解

Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。
　　簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
　　Zigbee的起源
　　Zigbee, 在中國被譯為"紫蜂",它與藍(lán)牙相類似.是一種新興的短距離無線技術(shù)用于傳感控制應(yīng)用(sensor and control).

                                                
　　此想法在IEEE 802.15工作組中提出,于是成立了TG4工作組,并制定規(guī)范IEEE 802.15.4.
　　2002年,zigbee Alliance成立.
　　2004年,zigbee V1.0誕生.它是zigbee的第一個(gè)規(guī)范.但由于推出倉促,存在一些錯(cuò)誤.
　　2006年,推出zigbee 2006,比較完善.
　　2007年底,zigbee
PRO推出
　　zigbee的底層技術(shù)基于 IEEE 802.15.4.
　　物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4
　　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(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)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(dòng)化控制，對(duì)無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長(zhǎng)期努力，Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。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。
　　長(zhǎng)期以來，低價(jià)、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場(chǎng)一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用屋和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，所以它們的通信效率非常高。
　　Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)描述
　　簡(jiǎn)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。

                                            
　　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(tái)，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。

與移動(dòng)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(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡(jiǎn)單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低的特點(diǎn)。而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。
　　Zigbee采用的自組織網(wǎng)通信方式
　　zigbee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說明這個(gè)問題，當(dāng)一隊(duì)傘兵空降后，每人持有一個(gè)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(dòng)尋找
，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動(dòng)
，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對(duì)象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。
　　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(shí)際上就是多通道通信，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于各種原因，往往并不能保證每一個(gè)無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因?yàn)檐嚨?，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷，此時(shí)由于我們有多個(gè)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(diǎn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制而言則非常重要。
　　為什么自組織網(wǎng)要采用動(dòng)態(tài)路由的方式？
　　所謂動(dòng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)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(jìn)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(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)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(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個(gè)問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
　　Zigbee自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
　　①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2 節(jié)5 號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較, 藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí) 。

                                            
　　現(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee提供電源。
　?、诘统杀尽Ｍㄟ^大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10) ,降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器測(cè)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免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2 美元。
　?、?低速率。Zigbee工作在20～250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,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10～100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到1～3 km。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(shí)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15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。
　?、薷呷萘俊igbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254 個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。
　?、吒甙踩?。Zigbee 提供了三級(jí)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
　?、嗝鈭?zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。
　　Zigbee的頻帶
　　1) 868MHZ 傳輸速率為20KB/S 適用于歐洲

                                          
　　2) 915MHZ 傳輸速率為40KB/S 適用于美國
　　3) 2.4GHZ 傳輸速率為250KB/S 全球通用
　　由于 此三個(gè)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(gè)10個(gè)和16個(gè)信道.
　　不同頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式有區(qū)別.雖然都使用了直接擴(kuò)頻(DSSS)的方式,但從比特到碼片的變換方式有較大的差別.
　　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,BLUETOOTH通常能用10M的作用范圍.
　　而基于IEEE 802.15.4的zigbee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米作用距離,在室外如果障礙物少,甚至可以達(dá)到100米作用距離.
　　所以zigbee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù).
　　Zigbee性能分析
　　1.數(shù)據(jù)速率比較低
　　在2.4GHZ的頻段只有250KB/S,而且只是鏈路上的速率,除掉信道競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)答和重傳等消耗,真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足100KB/S,并且余下的速率可能要被鄰近多個(gè)節(jié)點(diǎn)和同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)應(yīng)用所瓜分.因此不適合做視頻之類事情.

                                              
　　適合的應(yīng)用領(lǐng)域－－－－－－－－傳感和控制

2.可靠性 在可靠性方面,zigbee有很多方面進(jìn)行保證.物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù),能夠在一定程度上抵抗干擾MAC應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能.
　　MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道,可以起到避開干擾的作用.
　　當(dāng)zigbee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾,無法正常工作時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)的切換到另一個(gè)工作信道上.
　　3.時(shí)延
　　由于zigbee采用隨機(jī)接入MAC層,且不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù).
　　4.能耗特性 能耗特性是zigbee的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì).
　　通常zigbee節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都比較低,在不需要通信時(shí),節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入很低功耗的休眠狀態(tài),此時(shí)能耗可能只有正常工作狀態(tài)下的千分之一.由于一般情況下,休眠時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的大部分,有時(shí)正常工作的時(shí)間還不到百分之一,因此達(dá)到很高的節(jié)能效果.
　　5.組網(wǎng)和路由性－－－－－－網(wǎng)絡(luò)層特性
　　zigbee大規(guī)模的組網(wǎng)能力－－－－－－－－每個(gè)網(wǎng)絡(luò)60000個(gè)節(jié)點(diǎn)
　　bluetooth－－－－－－-每個(gè)網(wǎng)絡(luò)8個(gè)節(jié)點(diǎn).
　　因?yàn)閦igbee底層采用了直擴(kuò)技術(shù),如果采用非信標(biāo)模式,網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展得很大,因?yàn)椴恍柰蕉夜?jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和重新加入網(wǎng)絡(luò)的過程很快,一般可以做到1秒以內(nèi),甚至更快.
　　bluetooth通常需要3秒
　　在路由方面,zigbee支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由,所以可以布置范圍很廣的網(wǎng)絡(luò),并支持多播和廣播特性,能夠給豐富的應(yīng)用帶來有力的支持.
　　Zigbee的應(yīng)用前景

                                              
　　Zigbee 并不是用來
與藍(lán)牙或者其他已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)，它的目標(biāo)定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足其需求的特定的市場(chǎng)，它有著廣闊的應(yīng)用前景。Zigbee 聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年，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)。據(jù)估計(jì)，到2007 年，Zigbee 市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到數(shù)億美元。其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：
　　◆家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動(dòng)控制、窗簾的自動(dòng)控制、煤氣計(jì)量控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制等；
　　◆工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動(dòng)化控制；
　　◆商業(yè)：智慧型標(biāo)簽等；
　　◆公共場(chǎng)所：煙霧探測(cè)器等；
　　◆農(nóng)業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息；
　　◆醫(yī)療：老人與行動(dòng)不便者的緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。
　　ZigBee聯(lián)盟
　　ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)高速成長(zhǎng)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(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。
　　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(fèi)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(chǎng)。使得聯(lián)盟會(huì)員可以利用ZigBee這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。
　　ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點(diǎn)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(cè)試規(guī)格；在世界各地推廣ZigBee品牌并爭(zhēng)取市場(chǎng)的關(guān)注；管理技術(shù)的發(fā)展。
　　ZigBee聯(lián)盟對(duì)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(jìn)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(huì)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(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)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(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)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(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。