ZigBee技術(shù)分析與發(fā)展前景

1、ZigBee技術(shù)分析與發(fā)展前景ZigBee技術(shù)分析及發(fā)展前景當(dāng)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(wù)的發(fā)展推動了市場對寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求，寬帶用戶數(shù)量在全球呈現(xiàn)出非常強(qiáng)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。無線通信技術(shù)滿足了用戶對在不同移動狀態(tài)下獲取網(wǎng)絡(luò)信息的強(qiáng)烈需求，也符合當(dāng)今社會人員流動性大、工作生活節(jié)奏緊張的發(fā)展趨勢。另一方面，無線通信技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)部署迅速便捷的特點，對于缺乏線纜資源的新

2、興運營商來說，無線通信技術(shù)是成功部署通信網(wǎng)絡(luò)，迅速為用戶提供語音和數(shù)據(jù)服務(wù)的最佳手段。目前，各類網(wǎng)絡(luò)中最具增長潛力的是無線網(wǎng)絡(luò)，許多機(jī)構(gòu)會選擇采用無線局域網(wǎng)（WLAN）來拓展他們的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，獲得在機(jī)構(gòu)區(qū)域內(nèi)部移動接入網(wǎng)絡(luò)的能力。近距離無線通信技術(shù)在人們生活中扮演著越來越重要的作用。ZigBee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正有力地推動著低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)LR-WPAN（Low-RateWirelessPersonalAreaNetwork）的發(fā)展。一、Zigbee技術(shù)紫蜂（ZigBee）這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飛翔和“嗡嗡”地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信

3、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技術(shù)是一種近距離、低復(fù)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(shè)備之間進(jìn)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(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee過去又稱為“HomeRFlite”，“RFEasyLhik”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。ZigBee是IEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)該協(xié)議規(guī)定這是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)，蛋ZigBee不僅只是IEEE802.15

4、.4的名字。因為IEEE802.15.4僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，而ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，完整的ZigBee協(xié)議套件由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定。IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點，也是與其他無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層方面，其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立于管理，并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。在網(wǎng)絡(luò)層中，ZigBee定義了3中角色：第一個是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；第二個是路由器，主要負(fù)責(zé)找尋、建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)

5、送信息包；第三個是末端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息，不具備路由功能。在同一個WPAN上，可以存在65536個ZigBee裝置，彼此課通過多重調(diào)點的方式傳遞信息。為了在省電、復(fù)雜度、穩(wěn)定性與實現(xiàn)難易度等因素上取得平衡，網(wǎng)絡(luò)層采用的路由算法共有3種：以AODV算法建立隨意網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)；以摩托羅拉Cluster-tree算法的方法建立星狀的拓?fù)浼軜?gòu)；以及利用廣播的方式傳遞信息。因此，人們可根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。為了降低系統(tǒng)成本，IEEE定義了兩種類型的裝置：全功能裝置(FFD)、簡化功能裝置(RFD),可構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee是應(yīng)用

6、于無線監(jiān)測與控制應(yīng)用的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)調(diào)簡單易用、近距離、低速率、低功耗(長電池壽命)且極廉價的市場定位，主要嵌入在消費性電子設(shè)備、家庭和建筑物自動化設(shè)備、工業(yè)控制裝置、電腦外設(shè)、醫(yī)用傳感器、玩具和游戲機(jī)等設(shè)備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等。在工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護(hù)理、智能農(nóng)業(yè)、消費類電子和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域,將擁有廣闊的應(yīng)用前景。二、ZigBee技術(shù)的優(yōu)點與不足ZigBee的工作頻率有下面三種標(biāo)準(zhǔn)：(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。目前國

7、內(nèi)都在使用2.4GHz的工作頻率，其帶寬為5MHz,有16個信道。采用直接擴(kuò)頻(DSSS)方式的OQPSK調(diào)制技術(shù)。而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到3050m作用距離，在室外如果障礙物少，甚至可以達(dá)到100m作用距離。ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢：(1)功耗低。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月以上。這也是ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨特優(yōu)勢。(2)成本低。因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。(3)網(wǎng)絡(luò)容量大。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65535個設(shè)備，也就是說每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接。(4)時

8、延短。針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。(5)可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。(6)安全。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128,同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee技術(shù)的不足：ZigBee技術(shù)本身是一種為低速通信而設(shè)計的規(guī)范，它的最高通信速度只有250kb/s,對一些大數(shù)據(jù)量通信的場合它并不合適，但是這一特點會逐漸改變，一些廠商生產(chǎn)的ZigBee芯片目前也突破了這個限制，如CEL公司的ZICM2410,已經(jīng)達(dá)到1MHz的傳輸速率。三、各種短距離通信

9、技術(shù)從結(jié)構(gòu)上來說，WLAN主要是一種服務(wù)器.客戶端的結(jié)構(gòu)，移動設(shè)備扮演的是客戶端角色，而服務(wù)端是網(wǎng)絡(luò)中心設(shè)備；藍(lán)牙的實現(xiàn)可以使點到點或點到多點的結(jié)構(gòu)；而IrDA技術(shù)書的兩移動互聯(lián)設(shè)備是點對點的結(jié)構(gòu)。WLAN、UWB、ZigBee技術(shù)等可以作為移動AdHoc網(wǎng)絡(luò)的底層技術(shù)。UWB和ZigBee技術(shù)均可應(yīng)用于無線數(shù)字家庭組網(wǎng),兩種技術(shù)優(yōu)勢互補(bǔ):UWB技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率高，在無線數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中主要用于傳輸大容量的影音節(jié)目信號；ZigBee技術(shù)具有低傳輸速率、低功耗和低成本的特點，主要用于控制家用電器的啟動和關(guān)閉，而相對來說，WLF1更多地是用于較大組網(wǎng)區(qū)域的接入部分，主要用于數(shù)據(jù)存取。Bluetoot

10、h.UWB無線技術(shù)能夠穿透實心物體；FNC、IrDA、ZigBee無法穿透實心物體，或受障礙物影響較大，因此傳送距離和環(huán)境大大受限。從速率上看，大致有：UWB>WLAN>IrDA>ffi31>RFID/NFC>ZlgBee從傳輸距離上看，大致有：VLAN>ZigBee>UWB>藍(lán)牙>IrDA>RFID/NFC四、ZigBee的應(yīng)用現(xiàn)狀ZigBee的出發(fā)點是希望能發(fā)展出一種易布建的低成本無線網(wǎng)絡(luò)，同時期低耗電性將使產(chǎn)品的電池能維持6個月到數(shù)年的時間。ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低成本，低功耗和低速率無線通信市場的空缺，其成功的關(guān)鍵在于豐富而便

11、捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。隨著正式版本協(xié)議的公布，更多的注意力和研發(fā)力量將轉(zhuǎn)到應(yīng)用的設(shè)計和實現(xiàn)，互聯(lián)互通測試和市場推廣等方面。我們有理由相信在不遠(yuǎn)的將來，將有越來越多的內(nèi)置ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入生活，并極大地改善我們的生活方式和體驗。在國內(nèi)，目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍非常廣泛，很多我們想象不到的地方也在使用ZigBee技術(shù)。例如，在工業(yè)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)不僅用來控制照明燈的開關(guān),它還有一個用途是檢查高速路上照明燈的工作情況。以前工程師要開車到高速路上檢查哪些照片燈已經(jīng)壞掉了，需要維修，但因為車速較快，不能記下所有要檢修燈的編號，但通過ZIgBee網(wǎng)絡(luò)，工程師只需坐在計算機(jī)，就可以很

12、清楚地監(jiān)測到整個高速路上照明燈的工作情況，這是目前的一個熱點應(yīng)用。再如，ZigBee技術(shù)用于進(jìn)出的控制，可以記錄汽車的進(jìn)出，也可以在人員進(jìn)出時用于傳輸相關(guān)指紋來識別數(shù)據(jù)，進(jìn)行身份認(rèn)證。此外，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器功能，它還可以用來實時監(jiān)控煤礦內(nèi)各點的安全狀況，防止事故的發(fā)生。在加油站，一些客戶不希望布線，他們正在考慮采用ZigBee無線技術(shù)來傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。在消費類電子方面，ZigBee技術(shù)可以替現(xiàn)在的紅外遙控，于紅外遙控相比，ZigBee的優(yōu)勢在于每一個操作都會有反饋信息，告訴他們是否實現(xiàn)了相關(guān)操作?，F(xiàn)今我們也可以看到ZigBee用于家庭保安，消費者在家中的門和窗上都安裝了ZigBee網(wǎng)

13、絡(luò)，當(dāng)有人闖入時，ZigBee可以控制開啟室內(nèi)攝像裝置，這些數(shù)據(jù)再通過Internet或WLAN網(wǎng)絡(luò)反饋給主人，從而實現(xiàn)報警。當(dāng)在家電產(chǎn)品如空調(diào)，熱水器等安裝ZigBee模塊后，用戶可以通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)來控制這些產(chǎn)品的開啟。在建筑智能化領(lǐng)域，各種燈光的控制，氣體的感應(yīng)與監(jiān)測，如煤氣泄漏的感應(yīng)和報警都可以應(yīng)用ZigBee技術(shù)。三表（電表，氣表和水表）上采用ZigBee技術(shù)，相關(guān)管理部門不但可以實現(xiàn)自動抄表功能，還可以監(jiān)控儀表如電表的狀態(tài)，防止偷電事件的發(fā)生.五、ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景被非?？春谩igBee在未來的幾年里將在工業(yè)控制，工業(yè)無線定位，家庭網(wǎng)絡(luò)，

14、汽車自動化，樓宇自動化，消費電子，醫(yī)用設(shè)備控制等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是家庭自動化和工業(yè)控制，將成為今后ZigBee芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域。在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動采集，分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。在汽車領(lǐng)域，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在飛轉(zhuǎn)的車輪或者發(fā)動機(jī)中，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命，同時應(yīng)該克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的，沒有通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要是依靠人力監(jiān)測作物的生產(chǎn)狀況，采用了傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動化，網(wǎng)絡(luò)化，職能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來耕種。在家庭和樓宇自動化領(lǐng)域，家庭自動化系統(tǒng)作為電子技術(shù)的集成得以