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          關于ZigBee,你需要知道的都在這里了!


            在智能硬件和物聯網領域,時下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無人不知,無人不曉。作為除了wifi、藍牙之外,ZigBee是目前最重要的無線通信協議之一,主要應用于物聯網和智能硬件等領域。關于ZigBee,下文采用問答形式向你詳細地介紹了方方面面,不夸口的說,你所需要知道的關于ZigBee的一切,全在這里了!

            起源歷史篇

            ZigBee起源什么技術?

            在藍牙技術的使用過程中,人們發現藍牙技術盡管有許多優點,但仍存在許多缺陷。對工業,家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言,藍牙技術顯得太復雜,功耗大,距離近,組網規模太小等,……而工業自動化,對無線數據通信的需求越來越強烈,而且,對于工業現場,這種無線數據傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此,經過人們長期努力,ZigBee協議在2003年中正式問世了。另外,ZigBee使用了在它之前所研究過的面向家庭網絡的通信協議Home RF Lite。

            什么是ZigBee?

            首先ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。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和遠近信息的,也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構成了群體中的通信“網絡”,因此ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種無線信息傳輸技術。

            ZigBee技術有哪些特點?

            ZigBee的特點主要有以下幾個方面:

            (1)低功耗:在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月,甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時;

            (2)低成本:通過大幅簡化協議是成本很低(不足藍牙的1/10),降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且ZigBee的協議專利免費;

            (3)低速率:ZigBee工作在250kbps的通訊速率,滿足低速率傳輸數據的應用需求;

            (4)近距離:傳輸范圍一般介于10~100m之間,在增加RF發射功率后,亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠;

            (5)短時延:ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3-10s、WiFi需要3s;

            (6)高容量:ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000個節點的大網;

            (7)高安全:ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;

            (8)免執照頻段:采用直接序列擴頻在工業科學醫療2.4GHz(全球)頻段。

            為什么說ZigBee是順應工業自動化對可靠的無線數據傳輸日益增長的需求而產生的?

            ZigBee技術本身,就是因為藍牙技術不能滿足工業自動化中,對低數據量,低成本,低功耗,高可靠性的無線數據通信的需求而產生的。因為,對于工業現場,這種無線數據傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。ZigBee技術中,使用網狀網拓撲結構,自動路由,動態組網,直序擴頻的方式。就是為了滿足工業自動化控制現場的這種需要。

            通信技術篇

            ZigBee使用那種協議?

            IEEE802.15.4協議,這是一種低傳送速率的無限PAN的協議。在標準化方面,IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議,其余協議主要參照和采用現有的標準,高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。

            為什么ZigBee無線通信使用2,4G頻段是免費頻段?

            在我國和世界上大多數其他國家,一般使用無線電設備都是要付頻率使用費的,包括手機通信,只不過移動運營商已經向國家支付了這筆費用,并通過號碼占用費等方式向用戶收取了這筆費用。在使用其它無線設備時,你首先要向國家相關部門申請頻率使用許可,然后根據你的無線設備所使用的頻率,功率大小和數量收取費用。這是一筆不小的費用,一般設備一年往往要交納幾千元的費用。而免費頻段,是指各個國家根據各自的實際情況,并考慮盡可能與世界其他國家規定的一致性,而劃分出來的一個頻段,專門用于工業,醫療以及科學研究使用(ISM頻段),不需申請而可以免費使用的頻段。我們國家的2.4G頻段,就是這樣一個頻段。然而,為了保證大家都可以合理使用,國家對該頻段內的無線收發設備,在不同環境下的使用功率做了相應的限制。例如在城市環境下,發射功率不能超過100mW。

            ZigBee僅適合近距離通信嗎?

            ZigBee局域網絡不僅可以通過提高每個節點模塊的發射功率和接收靈敏度以及增加節點數量來擴展網絡,而且還可以通過傳統的互聯網去監控路途遙遠的ZigBee控制網絡。但是,在進行擴張要注意的是:(1)隨著發射功率的增加,耗電量自然要增大,只要求耗電也大,便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優勢;(2)盡管2.4Ghz是免費頻段,但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。

            ZigBee采用直序擴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果也許會有很大的差別,例如ASK,FSK,FHSS,DSSS等的抗干擾能力,通信安全保密性,可靠性都各不相同。ZigBee系統和CDMA系統一樣,都采用的是直序擴頻技術(DSSS),它是一種抗干擾能力極強,保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過這兩種技術的通信產品,你會發現兩者在可靠性上不同凡響。

            由于擴頻技術在正常通信時所要求的信噪比可以很低,就是說,在干擾很強的環境下,它仍然能夠正常工作。根據計算和實驗,這相當于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。換句話說,它可以使用較低的功率傳輸更遠的距離。下面引用擴頻技術優越性有關的一些資料供參考:

            CDMA是繼世界上推出數字通信技術之后,1995年又推出的一種新型數字蜂窩技術,它利用數字傳輸方法,采用擴頻通信技術,大幅度地提高了頻率利用率,具有容量大、覆蓋范圍廣、手機功耗小、話音質量高的突出優點,將移動通信技術推向發展新階段。CDMA(碼分多址連接)蜂窩系統與FDMA(頻分多址連接)和TDMA(時分多址連接)系統相比,CDMA系統具有以下突出優點:

            (1)抗干擾性能好由于CDMA 經過擴頻處理,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)抗多徑衰落能力強多徑衰落是影響移動通信質量的一個突出問題,通常必須采取空間分集、自適應均衡等技術加以克服,還有較大衰落余量。CDMA系統可以利用多徑信號提供路徑分集,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'>高通信質量。

            (3)系統容量增大對于FDMA與TDMA,若小區的頻點或時隙一分配完,則小區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,在指定的干擾電平下,即使用戶數已達到限定數目時,也還允許增加個別用戶,其缺點是造成話音質量下降。業務提供者可在容量與話音質量之間進行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術大大降低了干擾信號的強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)通信質量好CDMA系統采用直接序列擴頻技術,綜合應用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術克服多徑效應,可以獲得很強的抗干擾能力,加上它在越區切換時采用先建立后中斷的軟切換技術,保證了CDMA的通信質量,特別在越區切換時無乒乓效應。本系統屬寬帶低噪比,波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數字調制技術來確保高質量話音和數據傳輸。

            (5)頻率利用率高CDMA系統的同一頻率,可以在所有小區內重復使用,其頻率復用率為2/3(FDMA和TDMA的頻率復用率為1/7),不需要FDMA和TDMA那樣進行頻率配置,大大簡化了小區分裂和微蜂窩引入。

            (6)多址能力強CDMA系統多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小,它與使用的擴頻編碼方案有關,與同時發送信號的用戶間的多址干擾(即擴頻編碼的相關特性)有關,與允許的接收質量有關(輸出信噪比),因此同時工作用戶間的多址干擾越低,能允許的接收質量越低,CDMA技術的多址能力就越強。

            (7)高度可靠的保密安全性CDMA移動通信系統是一個保密通信系統,若再加一定的加密算法技術,能大大提高通信保密性能,這是FDMA、TDMA系統所無法比擬的。分析其采用的擴頻系統,要想截獲別人的通信內容幾乎是不可能的,如只要機內鋰電池不放完電,它以512KHz的時鐘頻率加以改變其序列的即時狀態,即使是連續工作,它的擴頻地址序列周期也長達7年。它還可以方便地在CDMA系統設置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標準加密算法等,使通信的保密性更為可靠。

            (8)手機功耗小CDMA采用功率控制后,僅在衰落期間調高發射功率電平,從而使平均發射功率減小,FDMA的最小功率為5mW、平均發射功率為794 mW、峰值功率為3W,而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發射功率為5 mW、 峰值功率為100mW。由此可見CDMA的平均發射功率和最大發射功率比FDMA低,從而使系統容量增加,減少了小區數和降低設備成本。

            ZigBee與現有數傳電臺的比較有哪些特點?

            其優點如下:

            (1) 可靠性高:由于ZigBee模塊的集成度遠比一般數傳電臺高,分離元器件少,因而可靠性更高;

            (2) 使用方便安全:因為集成度高,比起一般數傳電臺來,ZigBee收法模塊體積可以做得很小,而且功耗低,最大發射電流比一個CDMA手機還要小許多,因而很容易集成或直接安放在到設備之中,不僅使用方便,而且在戶外攜帶使用時不容易受到損壞;

            (3) 抗干擾力強,保密性好,誤碼率低:ZigBee收發模塊使用的是2.4G 直序擴頻技術,比起一般FSK,ASK和跳頻的數傳電臺來,具有更好的抗干擾能力,和更遠的傳輸距離;

            (4) 免費頻段:ZigBee使用的是免費頻段,而許多數傳電臺所使用的頻段不僅需要申請,而且每年都需要向國家無委會交納相當的頻率使用費;

            (5) 價格低: ZigBee數傳模塊的價格只有具有類似功能的數傳電臺的幾分之一。

            網絡技術篇

            ZigBee是具有怎樣的無線數據傳輸網絡?

            簡單的說,ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡,類似于CDMA和GSM網絡,ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75米到幾百米、幾公里,并且支持無線擴展。

            ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺,十分類似現有的移動通信CDMA網或GSM網,每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站,在整個網絡范圍內,它們之間可以進行相互通信;每個網絡節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。

            與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是,ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立,因而,它必須具有簡單,使用方便,工作可靠,價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立,每個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網絡節點不僅本身可以作為監控對象,例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控,還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外,每一個ZigBee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內,和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

            每個ZigBee網絡節點(FFD和RFD)可以支持多達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。可以采集和傳輸數字量和模擬量。

            ZigBee所采用的自組織網是怎么回事?

            舉一個簡單的例子就可以說明這個問題,當一隊傘兵空降后,每人持有一個ZigBee網絡模塊終端,降落到地面后,只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內,通過彼此自動尋找,很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。他們預先無法判斷誰雨,而且,由于人員的移動,彼此間的聯絡還會發生變化。因而,模塊還可以通過重新尋找通信對象,確定彼此間的聯絡,對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。

            ZigBee技術為什么要使用自組織網來通信?

            網狀網通信實際上就是多通道通信,在實際工業現場,由于各種原因,往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通,就像城市的街道一樣,可能因為車禍,道路維修等,使得某條道路的交通出現暫時中斷,此時由于我們有多個通道,車輛(相當于我們的控制數據)仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。

            為什么自組織網要采用動態路由的方式?

            所謂動態路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的,而是傳輸數據前,通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索,分析它們的位置關系以及遠近,然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網絡管理軟件中,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行傳輸,如傳不通,再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸,以此類推,直到數據送達目的地為止。在實際工業現場,預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化,或者因各種原因路徑被中斷了,或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀網拓撲結構,就可以很好解決這個問題,從而保證數據的可靠傳輸。

            ZigBee 和現有的通信移動網(GPRS,CDMA-1X)比較有哪些特點?

            其特點為:

            (1) 無網絡使用費:使用移動網需要長期支付網絡使用費,而且是按節點終端的數量計算的,而ZigBee沒有這筆費用;

            (2) 設備投入低:使用移動網需要購買移動終端設備,每個終端的價格在人民幣1000元上下,而使用ZigBee網絡,不僅ZigBee網絡節點模塊(相當于基站)費用每只人民幣不到1000元,而且,主要使用的網絡子節點(相當于手機)的價格還要低得多;

            (3) 通信更可靠:由于現有移動網主要是為手機通信而設計的,盡管CDMA-1X和GPRS可以進行數據通信,但實踐發現,不僅通信速率比設計速率低很多,而且數據通信的可靠信、連續性在許多情況下也得不到保證。而ZigBee網絡則是專門為控制數據的傳輸而設計的,因而控制數據的傳輸具有相當的保證;

            (4) 高度的靈活性和低成本:首先,通過使用覆蓋距離不同,功能不同的ZigBee網絡節點,以及其它非ZigBee系統的低成本的無線收發模塊,建立起一個ZigBee局部自動化控制網,再通過互聯網或移動網與遠端的計算機相連,從而實現低成本,高效率的工業自動化遙測遙控;

            (5) 比起現有的移動通信網來,盡管ZigBee僅僅只是一個局域網,但通過供足夠的數據出口,它可以“無限”擴大它的覆蓋范圍,而且可以與現有的移動網,互聯網和其它通信網絡相連接。并通過這些網絡將許多個ZigBee局域網相互連成為一個整體。有效的解決移動網的盲區覆蓋問題:我們知道,現有移動網絡在許多地方存在盲區,特別是鐵路,公路,油田,礦山等野外,更是如此。而增加一個移動基站或直放站的費用是相當可觀的,此時使用ZigBee網絡進行盲區覆蓋不僅經濟有效,而且往往是現在唯一可行手段。

            ZigBee怎樣實現遠距離遙測遙控?

            ZigBee 網絡還可以通過接口卡等多種方式,與互聯網,GPRS網,CDMA1x網以及其它通信系統線連接,從而實現遠程操控。你也可以通過其它網絡,將兩個或多個局部ZigBee 網絡連接在一起。

            市場應用篇

            ZigBee技術有哪些應用領域?

            ZigBee技術的目標就是針對,工業,家庭自動化,遙測遙控,例如燈光自動化控制,傳感器的無線數據采集和監控,油田,電力,礦山和物流管理等應用領域。

            ZigBee實現了哪些工業現場對無線數據傳輸的要求?

            要求低功耗,低數據量(250KPS),低成本,使用免費的ISM頻段(2.4G),高的抗干擾性能的直序擴頻通信方式(DSSS),高保密性(64位出廠編號和支持AES-128加密),高集成度和高的可靠性;節點模塊之間具有自動動態組網的功能,采用了包括網狀網在內的拓撲結構,使用了碰撞避免機制,信息在整個ZigBee網絡中通過自動路由的方式進行傳輸,從而保證了信息傳輸的可靠性。

            ZigBee可以在哪些方面拓展應用?

            ZigBee應用:其范圍非常廣泛,可以針對工業自動化、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農業自動化和醫療護理、油田、電力、礦山和物流管理等應用領域。實際應用舉例如下:照明控制、環境控制、自動讀表系統、各類窗簾控制、煙霧傳感器、醫療監控系統、大型空調系統、內置家居控制的機頂盒及萬能遙控器、暖氣控制、家庭安防、工業和樓宇自動化。另外它還可以對局部區域內移動目標例如城市中的車輛進行定位。

            凡符合什么條件的短距離通信就可以考慮采用ZigBee技術?

            通常,符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應用ZigBee:

            (1)需要數據采集或監控的網點多;

            (2)要求傳輸的數據量不大,而要求設備成本低;

            (3)要求數據傳輸可靠性高,安全性高;

            (4)要求設備體積很小,不便放置較大的充電電池或者電源模塊;

            (5)可以用電池供電;

            (6)地形復雜,監測點多,需要較大的網絡覆蓋;

            (7)對于那些現有的移動網絡的盲區進行覆蓋;

            (8)已經使用了現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統。

            ZigBee技術在我國的應用情況怎樣?

            盡管國內不少人已經開始關注ZigBee這項新技術,而且也有不少企業開始涉足ZigBee技術的開發,然而,考慮到ZigBee本身是一種新的系統集成技術,應用軟件的開發必須用網絡傳輸,射頻技術和底層軟硬件控制技術結合在一起,所以對于初期開發的企業來說具有一定的技術難度。由于各方面的制約,ZigBee技術的大規模商業應用還有待時日。但是目前已經展示出了非凡的應用價值,相信隨著相關技術的發展和推進,一定會得到更大的應用。但是,我們還應該清楚的認識到,基于ZigBee技術的無線網絡才剛剛開始發展,它的技術、應用都還遠遠談不上成熟,國內企業應該抓住商機,加大投入力度,推動整個行業的發展。

            ZigBee聯盟

            ZigBee聯盟的使命是什么?

            ZigBee聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織,成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。

            ZigBee聯盟的目標是什么?

            ZigBee聯盟的主要目標是以通過加入無線網絡功能,為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品,應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網絡平臺,設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。

            ZigBee聯盟所鎖定的焦點是什么?

            其焦點為制定網絡、安全和應用軟件層;提供不同產品的協調性及互通性測試規格;在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關注;管理技術的發展。

            ZigBee聯盟在標準上所做的工作是什么?

            ZigBee標準的制定:IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數據鏈路層,標準已在2003年5月發布。ZigBee網絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經發布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續發布。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞,而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議,因此ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點,而幾個協調器則可形成一個網絡,對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

            ZigBee聯盟強調設備的互通性:很多近距離電子產品嵌入了ZigBee模塊都已具有ZigBee功能,還有許多各種產品預留了ZigBee的接口以備日后隨時升級。各類網關產品的開發也得到進一步開發,網關產品支持ZigBee系統與家居控制網絡、智能建筑網絡及商用網絡等現有的設施互聯等。

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