Zigbee無(wú)線通信技術(shù)

1、Zigbee無(wú)線通信技術(shù)摘要：ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫 蜂協(xié)議）來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂866）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信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的 方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功 耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè) 備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。 ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Zig

2、Bee協(xié)議從下到上分別為物 理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（兀）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL） 等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)特性標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議應(yīng)用系統(tǒng)引言ZigBee作為一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本 的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有效彌補(bǔ)了低成本、低功耗和低速率無(wú)線通信市場(chǎng)的空缺， 其成功的關(guān)鍵在于豐富而便捷的應(yīng)用，而不是技術(shù)本身。我們有理由相信在不 遠(yuǎn)的將來(lái)，將有越來(lái)越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入我們的生活，并將極 大地改善我們的生活方式和體驗(yàn)。一、 Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介什么是Zigbee

3、？Zigbee 一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知 同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú) 線”的溝通。人們借此稱呼一種專(zhuān)注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率 的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月， 2002年下半年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司 以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為 ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟的不僅僅只有當(dāng)初的四 大公司，而是涵蓋了 IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的150多家企業(yè)。ZigBee技術(shù)

4、特點(diǎn)ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜 度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee采取了 IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)： 省電、簡(jiǎn)單、成本又低的規(guī)格；ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用 層；ZigBee的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子 設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場(chǎng) 合；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析. ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率頻帶 使用范圍數(shù)據(jù)傳輸率信道數(shù)ZigBee無(wú)線可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4GHz的ISM頻段、 歐洲的868MHz頻段、以及美國(guó)的915M

5、Hz頻段，而不同頻段可使用的 信道分別是16 、1 、10個(gè)；ZigBee在中國(guó)采用2.4G的ISM 頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率， 在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道，帶寬為250K。.短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)傳輸范圍WANWMANWLANWPAN即5.1傳輸范圍WANWMANWLANWPAN即5.1IEEE 302.20M IJ0245302153a80215.5cZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為 250K,與其他無(wú)線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近；ZigBee無(wú)線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò)，就是無(wú)線個(gè)人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)， 對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常合適的。Zi

6、gBee技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較ihrWi-K 壇也GPRS/GSM 1XK.TT/CDMAWrEi S02allbBluetoiQtli8S02.3.5.1ZigBee1應(yīng)JIJ王點(diǎn)：J 崛 vuJil E自昌數(shù)隼Wob, Fmail,國(guó) 慘電纜廿代晶嚙洲晶梓sw票繞播薛1OMB+1MB 25OKB+4KB - 32 KB11鼬后告（天）至7D.5 至 51至7!下 1.000+南路大小13225 / 65,000(S4 - 12S+llP000+720加-250也借新商承G1.ODD+1 - IDO1 - 1D+1 -10O+新缶rfri大

7、一周中價(jià)格便啟1.右假可冷，低啕在. 毋裕斫ITZigBee無(wú)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；ZigBee無(wú)線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)到65535個(gè)，具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢(shì);ZigBee技術(shù)特有的低功耗設(shè)計(jì)，可以保證電池工作很長(zhǎng)時(shí)間。.zigbee技術(shù)優(yōu)勢(shì)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624個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù) 周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(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)

8、點(diǎn)需要 32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)。每塊芯 片的價(jià)格大約為2美元。低速率。Zigbee工作在20250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)ff 20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿 足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。近距離。傳輸范圍一般介于10100 m之間,在增加RF發(fā)射功率 后，亦可增加到13 km。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)。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15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 m

9、s ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要 310 s、WiFi 需要 3 s。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)。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)(AES 128)的對(duì) 稱密碼，以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2. 4 GHz (全球)、915 MHz(美國(guó))和 868 MHz(歐洲)。5.Zigbee物理信

10、道2.480GHz間分布，信道間隔是5M,具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。6. Zigbee協(xié)議棧ZigBee采取了 IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技 術(shù)的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通；ZigBee繼續(xù)與IEEE緊密結(jié)合，以保證向市場(chǎng)提供一種完整的集成解決方案。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廠、全功能設(shè)備廠、全功能設(shè)備1/ (FFD , Router)精簡(jiǎn)功能設(shè)備趣我網(wǎng)(RFD )趣我網(wǎng)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和MESH網(wǎng) 狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來(lái)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

11、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多 級(jí)跳”的方式來(lái)通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還 具備自組織、自愈功能；星型和族樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類(lèi)型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最 大、計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設(shè)備(FFD)：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是RFD連結(jié)，F(xiàn)FD具 備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.15.4功能和所有特征更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算

12、機(jī)能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由作用。也可能做終端設(shè)備精簡(jiǎn)功能設(shè)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(lái)控制成本和復(fù)雜性在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。ZigBee相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)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(jiǎn)單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助 于降低成本。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(shù)（DirectSequence / Frequency Agility）；ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時(shí)延擴(kuò)展的能力也最強(qiáng);ZigBee具備的頻率快變就是改變頻率，以

13、避開(kāi)從一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源來(lái)的影響的能力;802.11 b, 802.15.x BER ComparisonUK 07藍(lán)牙要達(dá)到1 口T1天碼率，信噪比要為16S02.15.4在低信噪比的 環(huán)境下誤碼率很低.明 .即UK 07藍(lán)牙要達(dá)到1 口T1天碼率，信噪比要為16S02.15.4在低信噪比的 環(huán)境下誤碼率很低下可達(dá)到10 -9 ；達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙/ 802.15.1信噪比要達(dá)16dB,802.11b要達(dá)10dB, Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN技術(shù)。10.ZigBee可靠鏈路物理層RF通信鏈路直序擴(kuò)頻采用高處理增益明晰的信道檢測(cè)對(duì)干擾能量進(jìn)行檢測(cè)采用跳頻技術(shù)Freqe

14、ncy agility 協(xié)議基于CRC的誤碼檢測(cè)/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(wù)預(yù)留了專(zhuān)業(yè)的有保證的時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸Packet data freshness通信可靠機(jī)制ZigBee采用了 CSMA-CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通 信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān) 用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)使得競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道 檢測(cè)；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等 待接受方的確認(rèn)信息、。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)ZigBee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的 存在，并確定連接關(guān)系

15、，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā) 生故 障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整， 無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。ZigBee技術(shù)RF物理層上的設(shè)計(jì)保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和通信可 靠性；ZigBee技術(shù)在通信協(xié)議上的可靠設(shè)計(jì)，保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和 通信可靠性。三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍.適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家用電器控制反復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)：如鼠標(biāo)鍵盤(pán)數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù).適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)備成本

16、低、傳輸數(shù)據(jù)量小設(shè)備體積小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊沒(méi)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(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制.Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)概述利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無(wú)線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒 Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，減少 了傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)相互碰撞的概率，并利 用GPRS網(wǎng) 絡(luò)傳輸匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò) 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲咕W(wǎng)

17、絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)；利用ZIGBEE技術(shù)優(yōu)勢(shì)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可以按照 區(qū)域布置不同的匯接點(diǎn)，這個(gè)匯接點(diǎn)就是ZIGBEE的中心節(jié)點(diǎn)；遠(yuǎn)程管理中心通過(guò)GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信， 通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。 系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)概述利用ZIGBEE技術(shù)組成一個(gè)網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò)，在樓道設(shè)置合適的路由節(jié) 點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)；房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為ZIGBEE 路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；所有的ZIGBE

18、E路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與ZIGBEE中心節(jié) 點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在管理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)， 是個(gè)通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù)醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集1/醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集1/鼠酶心節(jié)占 3.智能交通控制系統(tǒng)系統(tǒng)概述采用ZIGBEE和太陽(yáng)能結(jié)合的無(wú)線控制系統(tǒng)，無(wú)須挖路布設(shè)控制線路，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)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(duì)交通干擾所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)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(duì)原有預(yù)埋管線的干擾。系統(tǒng)應(yīng)用路口交通信號(hào)燈控制 遠(yuǎn)程交通信號(hào)控制 道路信息采集 停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng) 4、無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)系統(tǒng)概述餐廳ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在餐廳、吧臺(tái)、廚房、收銀臺(tái)、處 理中心部署的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成了完整的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息處理的自動(dòng)化；內(nèi)置無(wú)線ZIGBEE通信模塊的手持點(diǎn)餐終端，服務(wù)員通過(guò)手持的點(diǎn) 餐終端處理顧客的點(diǎn)單，用戶訂單通過(guò)終端和大廳內(nèi)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)自 動(dòng)的上傳到廚房和收銀臺(tái)無(wú)線通信系統(tǒng)的ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)、無(wú)線ZIGBEE路由和無(wú)線點(diǎn)餐 終端,夠構(gòu)成一個(gè)蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信。 其中任何一個(gè)ZIGBEE路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā);所有的ZIGBEE路