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(shí)下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無(wú)人不知，無(wú)人不曉。作為除了WiFi、藍(lán)牙之外，ZigBee是目前最重要的無(wú)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。關(guān)于ZigBee，下文采用問(wèn)答形式向你詳細(xì)地介紹了方方面面，不夸口的說(shuō)，你所需要知道的關(guān)于 ZigBee的一切，在這里基本可以了解到！

1ZigBee起源什么技術(shù)？

在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)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，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn) 場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問(wèn)世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究過(guò)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(gè)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(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng) 控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)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(lái)形象地描述這種 無(wú)線信息傳輸技術(shù)。

3ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)？

ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（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)。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時(shí)；

（2）低成本：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議是成本很低（不足藍(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(guò)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3-10s、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(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)；

（7）高安全：ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)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)（AES128）的對(duì)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(guó)），868MHz（歐洲），2.4GHz（全球）。

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。這三個(gè)頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴(kuò)頻都使用直接序列擴(kuò)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(wú)線通信技術(shù)。

4為什么說(shuō)ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸日益增長(zhǎng)的需求而產(chǎn)生的？

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(dòng)化中，對(duì)低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性的無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因?yàn)?，?duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù) 據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻的方式。就是為了滿足工 業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)的這種需要。

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(wú)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(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

2為什么ZigBee無(wú)線通信使用2.4G頻段是免費(fèi)頻段？

在我國(guó)和世界上大多數(shù)其他國(guó)家，一般使用無(wú)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(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)向國(guó)家支付了這筆費(fèi)用，并通過(guò)號(hào)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(wú)線設(shè)備時(shí)，你首先要向國(guó)家相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)頻率使用許可，然后根據(jù)你的無(wú)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(gè)國(guó)家根據(jù)各自的實(shí)際情況，并考慮盡可能與世界其他國(guó)家規(guī)定的一致性，而劃 分出來(lái)的一個(gè)頻段，專門(mén)用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用（ISM頻段），不需申請(qǐng)而可以免費(fèi)使用的頻段。我們國(guó)家的2.4G頻段，就是這樣一個(gè)頻段。然而，為了保證大家都可以合理使用，國(guó)家對(duì)該頻段內(nèi)的無(wú)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(guò) 100mW。

3ZigBee僅適合近距離通信嗎？

ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過(guò)提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過(guò)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(jìn)行擴(kuò)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(huì)失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢(shì);

（2）盡管2.4Ghz是免費(fèi)頻段，但是不能超過(guò)電波法中對(duì)于最大功率的限制。

4ZigBee采用直序擴(kuò)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(huì)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(kuò)頻技術(shù)（DSSS），它是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過(guò)這兩種技術(shù)的通信產(chǎn)品，你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者在可靠性上不同凡響。

由于擴(kuò)頻技術(shù)在正常通信時(shí)所要求的信噪比可以很低，也就是說(shuō)，在干擾很強(qiáng)的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，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(shuō)，它可以使用較低的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離。下面引用擴(kuò)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(kuò)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(jī)功耗小、話音質(zhì)量高的突出優(yōu)點(diǎn)，將移動(dòng)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(shí)分多址連接）系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗干擾性能好由于CDMA 經(jīng)過(guò)擴(kuò)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(qiáng)多徑衰落是影響移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)突出問(wèn)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(hào)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(duì)于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點(diǎn)或時(shí)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(shí)，也還允許增加個(gè)別用 戶，其缺點(diǎn)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(jìn)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(hào)的強(qiáng)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(kuò)頻技 術(shù)，綜合應(yīng)用時(shí)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(qiáng)的抗干擾能力，加上它在越區(qū)切換時(shí)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(shí)無(wú)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(cuò)編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)來(lái)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(jìn)行頻率配置，大大簡(jiǎn)化了小區(qū)分裂和微蜂窩引入。

（6） 多址能力強(qiáng)CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴(kuò)頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴(kuò)頻編碼方案有關(guān)，與同時(shí)發(fā)送信號(hào)的用戶間的多址干擾（即擴(kuò)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(shí)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(qiáng)。

（7） 高度可靠的保密安全性CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)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(wú)法比 擬的。分析其采用的擴(kuò)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(jī)內(nèi)鋰電池不放完電，它以512KHz的時(shí)鐘頻率加以改變其序列的即時(shí)狀態(tài)， 即使是連續(xù)工作，它的擴(kuò)頻地址序列周期也長(zhǎng)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(kuò)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(jī)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(jiàn)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。