ZigBee技術(shù)的原理及特點

當今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著Internet的迅速發(fā)展和個人對數(shù)據(jù)通信需求的快速增長，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢：無線化、寬帶化和IP化?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展推動了市場對寬帶網(wǎng)絡的需求，寬帶用戶數(shù)量在全球呈現(xiàn)出非常強勢的增長態(tài)勢。在眾多的寬帶技術(shù)中，無線技術(shù)尤其是移動通信技術(shù)成為近年來通信技術(shù)市場的最大亮點，是構(gòu)成未來通信技術(shù)的重要組成部分。

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(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。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備。簡而言之，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技術(shù)的起源與發(fā)展

在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍牙，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)過人們的長期努力， Zigbee協(xié)議在2003年于美國正式問世了。

Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“ Homerflite”技術(shù)

2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標準， Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月

2002年下半年，英國 vensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ Zigbee”的下一代無線通信標準，這事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。

2004年12月 Zigbee10標準(又稱為 Zigbee2004)敲定，這使得 Zigbee有了自己的發(fā)展基本標準。

2005年9月公布 Zig bee1.0標準并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯(lián)盟。但是基于該版本的應用很少，與后面的版本也不兼容。

2006年12月進行標準修訂，推出 Zigbee1.1版(又稱為 Zigbee2006)。該協(xié)議雖然命名為 Zigbee1.1，但是與 Zigbee10版是不兼容的

2007年10月完成再次修訂(稱為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本，并且加入了 Zibgeepro部分，此時 Zig beel聯(lián)盟更加專注于以下三個方面：家庭自動化、建筑商業(yè)大樓自動化、先進抄表基礎(chǔ)建設。

ZigBee的技術(shù)原理

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)絡平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信;每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個ZigBee網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡連接。例如，你可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個ZigBee控制網(wǎng)絡。

ZigBee網(wǎng)絡主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立;每個移動基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個ZigBee 網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以與監(jiān)控對對象，例如傳感器連接直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料; 除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。

每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD和RFD)可以可支持多到31個的傳感器和受控設備，每一個傳感器和受控設備終可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。

ZigBee技術(shù)的特點

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽谩?/p>

自從馬可尼發(fā)明無線電以來，無線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動通信網(wǎng)絡(3G)目的在于提供多媒體無線服務，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。而ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術(shù)。

這種無線通信技術(shù)具有如下特點：

功耗低

工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式。設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。由于工作時間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應用場合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數(shù)年，對于某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間)之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過10年。

數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。

網(wǎng)絡容量大

ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個基本參數(shù)。而對簡化功能器件，在最小配置時只要求它支持38個基本參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作，分別為：個域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。一個ZigBee的網(wǎng)絡最多包括有255個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，其中一個是主控(Master)設備，其余則是從屬(Slave)設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)路節(jié)點，再加上各個Network Coordinator可互相連接，整個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目將十分可觀。

兼容性

ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動建立網(wǎng)絡，采用載波偵聽/沖突檢測(CSMA-CA)方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。

安全性

Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

實現(xiàn)成本低

模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專利費用。目前低速低功率的UWB芯片組的價格至少為20美元。而ZigBee的價格目標僅為幾美分。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。

時延短

通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設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)應用。