ZigBee通信技術特點和性能及其典型應用的詳細概述

ZigBee技術被認為是最有可能像WiFi、藍牙一樣改變我們現(xiàn)在生活的通信技術之一.ZigBee是讓一些設備特別是傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)的技術。

在家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈,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的特點就在于功耗更低，實時在線、同一個網(wǎng)關接入數(shù)量巨大并且可以自組網(wǎng), 在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中具有廣闊的應用空間。

Zigbee技術

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、低復雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡通信技術，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，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應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)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

ZigBee的技術特點和性能

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，ZigBee具有如下特點:

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設備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。

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)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

低復雜性

zigbee協(xié)議的大小一般在4-32KB，而藍牙和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。

網(wǎng)絡容量大

一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備, 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡, 而且網(wǎng)絡組成靈活。 并且在一個網(wǎng)絡中最多可以有65000個節(jié)點連接。

網(wǎng)絡建立

zigbee能夠自動建立其所想要的網(wǎng)絡。

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)務預留了專用時隙,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信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

安全

ZigBee提供了基于循環(huán)沉余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證, 采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

Zigbee的技術性能

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)絡標準

ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術適合組建WPAN網(wǎng)絡，就是無線個人設備的聯(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。它的應用定位就是低速率、復雜網(wǎng)絡、低功耗和低成本應用。

3、無線網(wǎng)絡標準的比較

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，網(wǎng)絡節(jié)點容量達到65535個，具有非常強大的組網(wǎng)優(yōu)勢；特有的低功耗設計，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，具有很強的信道抗串擾能力。

5、Zigbee協(xié)議棧

ZigBee采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點，增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術的一致化，利于了產(chǎn)品的互連互通；ZigBee繼續(xù)與IEEE緊密結合，以保證向市場提供一種完整的集成解決方案。

6、ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構

ZigBee技術具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡結構。

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡適合點多多點、距離相對較近的應用。

7、ZigBee網(wǎng)絡設備類型

7.1網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器：

包括所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算機能力強。發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、 尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。

7.2全功能設備（FFD）：

可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，讓其它的FFD或是RFD連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征

更多的存儲器、計算機能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由作用。

也可能做終端設備

7.3精簡功能設備（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雜性

在網(wǎng)絡中通常用作終端設備。

ZigBee相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。

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（Direct Sequence / Frequency Agility），ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴展的能力也最強。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；

實驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達到10 -9；達到同樣誤碼率，藍牙/ 802.15.1信噪比要達16dB，WLAN的802.11b要達10dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術。

9、ZigBee可靠鏈路

9.1物理層RF通信鏈路

直序擴頻采用高處理增益

明晰的信道檢測

對干擾能量進行檢測

采用跳頻技術Freqencyagility

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)務預留了專業(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，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)

保持數(shù)據(jù)包的及時傳輸Packet data freshness

9.3通信可靠機制

ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，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)使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；

MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認信息。

9.4網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強

ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡；

ZigBee自愈功能：增加或刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應地調(diào)整，無需人工干 預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

ZigBee技術RF物理層上的設計保證了較強的抗干擾能力和通信可靠性。ZigBee技術在通信協(xié)議上的可靠設計，保證了較強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。其中涵蓋了半導體生產(chǎn)商、IP 服務提供商、消費類電子廠商及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責開發(fā)ZigBee 物理和媒體控制層技術標準的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、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機構等領域，對于無線網(wǎng)絡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，而低廉的價格將起著關鍵作用。所以ZigBee 標準要解決的問題是設計一個維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無線收發(fā)信機。要考慮的核心問題是低功耗和低價格的設計，這就要求該標準應提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應用。

IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)共同制定了ZigBee標準。ZigBee標準是一個正在發(fā)展中的低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標準，它是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡而設計的無線網(wǎng)絡規(guī)范。

IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負責制定物理層(PHY)和媒體接人控制(MAc)層規(guī)范，于2003年5月通過了IEEE802.15、4標準;ZigBee聯(lián)盟是一個全球企業(yè)聯(lián)盟，旨在合作實現(xiàn)基于全球開放標準、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，主要負責制定網(wǎng)絡層、安全管理及應用界面規(guī)范，于2004年12月通過了 1.0版規(guī)范。

Zigbee技術應用

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、遠程網(wǎng)絡控制、家用電器控制

反復性低反應時間數(shù)據(jù)

如鼠標鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù)

2、適合ZigBee技術的應用場合

設備成本低、傳輸數(shù)據(jù)量小，設備體積小，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)絡中的設備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制的環(huán)境。

3、Zigbee技術典型應用

3.1結合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸

利用GPRS網(wǎng)絡傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡設計，網(wǎng)絡采用 星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每Zigbee傳感器節(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，并利 用GPRS網(wǎng)絡傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡需要依托有線公共網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡具有非常顯著的優(yōu)點。

遠程管理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程通信， 通過GPRS網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(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技術組成一個網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡，在樓道設置合適的路由節(jié)點，進行數(shù)據(jù)的中轉，房間內(nèi)的呼叫節(jié)點采用星型網(wǎng)絡連接，由其中一個節(jié)點作為ZIGBEE路由器，負責與中心網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)中繼轉發(fā)。所有的ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡，再與ZIGBEE中心節(jié)點連接，中心節(jié)點設置在管理中心，構建成一個完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡，是個通信非常可靠的網(wǎng)絡結構。

3.3無線點餐系統(tǒng)

餐廳ZigBee無線節(jié)點網(wǎng)絡，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBee節(jié)點設備構成了完整的無線通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)了信息處理的自動化；服務員通過手持的點餐終端處理顧客的點單，用戶訂單通過終端和大廳內(nèi)的 ZigBee網(wǎng)絡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、無線ZIGBEE路由和無線點餐終端，夠構成一個 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡，任何一個節(jié)點以多調(diào)方式實現(xiàn)通信。

其中任何一個ZIGBEE路由器，負責與中心網(wǎng)絡的連接和數(shù)據(jù)中繼轉發(fā)；所有的ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡，與ZIGBEE中心節(jié)點連接，中心節(jié)點設置在總服務臺，構建成一個完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡，是個通信非?？煽康木W(wǎng)絡結構。

3.4智能交通控制系統(tǒng)

采用ZIGBEE和太陽能結合的無線控制系統(tǒng)，無須挖路布設控制線路，各設備之間實現(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埋管線的干擾。

隨著ZigBee技術的不斷完善，它將成為當今世界最前沿的數(shù)字化無線技術。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用前景。ZigBec聯(lián)盟預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。