Zigbee技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)

1、Zigbee技術(shù)及其應(yīng)用2013-09-21 21:37:38| 分類：Zigbee技術(shù)|標(biāo)簽：zigbee 通信組網(wǎng)應(yīng)用|字號(hào)訂閱ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、 媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體 訪問控制層遵循標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要特點(diǎn)是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?復(fù)雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的可分為協(xié)調(diào)器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(diǎn) (Router)、傳感器節(jié)點(diǎn)(EndDevice)等三種角色

2、。與此同時(shí)，中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟 認(rèn)為：zigbee作為一種短距離 無線通信技術(shù)，由于其網(wǎng)絡(luò) 可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性。起源ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍(lán)牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制 應(yīng)用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其 TG4工作組制定規(guī)范。2001 年 8 月，ZigBee Allianee 成立。2004年，ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個(gè)版本。由于推出倉促，存在一些 錯(cuò)誤。2006年，推出ZigBee 2006，比

3、較完善。2007 年底，ZigBee PRO 推出。2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具備更強(qiáng)的靈活性和遠(yuǎn)程控制能力。2009年開始，Zigbee采用了 IETF的IPv6 6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)作為新一代智能電網(wǎng) SmartEnergy(SEP 2.0)的標(biāo)準(zhǔn)，致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網(wǎng)集成的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)端到端的 網(wǎng)絡(luò)通信。隨著美國及全球智能電網(wǎng)的建設(shè)，Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標(biāo)準(zhǔn)所取代ZigBee的底層技術(shù)基于，即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了 的定義。在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工 業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工

4、業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng) 規(guī)模太小等。而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)， 這種無線傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長(zhǎng)期 努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向 家 庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。長(zhǎng)期以來，低價(jià)位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場(chǎng)一直存在著。藍(lán)牙的出現(xiàn)， 曾讓工業(yè)控制、家用自動(dòng)控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是藍(lán)牙的售價(jià)一直居高不下，嚴(yán)重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了 小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的

5、物理層和媒體介質(zhì)訪問層。規(guī) 范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps）、工作在2.4GHz和868/915MHZ的無線技 術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。它是 ZigBee應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一 種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介 于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)標(biāo)準(zhǔn),在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些 傳感器只需要很少的能量，以接力的 方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它們的通信效率非常高。 互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化組織IETF也看到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（或者物聯(lián)網(wǎng)）的廣泛

6、應(yīng)用前景，也加 入到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定中。以前許多標(biāo)準(zhǔn)化組織和研究者認(rèn)為IP技術(shù)過于復(fù)雜，不適合低功耗、資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此都是采用非IP技術(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，如zigbee需要接入互聯(lián)網(wǎng)時(shí)需要復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)，也不能實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。與此同 時(shí)，與zigbee類似的標(biāo)準(zhǔn)還有z-wave、ANT、Enocean等，相互之間不兼容，不利于產(chǎn) 業(yè)化的發(fā)展。IETF和許多研究者發(fā)現(xiàn)了存在的這些問題，尤其是 Cisco的工程師基于開源 的ulP協(xié)議實(shí)現(xiàn)了輕量級(jí)的IPv6協(xié)議，證明了 IPv6不僅可以運(yùn)行在低功耗資源受限的設(shè) 備上，而且，比zigbee更加簡(jiǎn)單，徹底改變了大家的偏見，之后

7、基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。IETF已經(jīng)完成了核心的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括IPv6數(shù)據(jù)報(bào)文和幀頭 壓縮規(guī)范6Lowpan2、面向低功耗、低速率、鏈路動(dòng)態(tài)變化的無線網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議RPL3、以及面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn) CoAP 4，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范已經(jīng)發(fā)布5。IETF 組織成立了 IPSO聯(lián)盟，推動(dòng)該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，并發(fā)布了一些列白皮書 。IPv6/6Lowpan已 經(jīng)成為許多其它標(biāo)準(zhǔn)的核心，包括智能電網(wǎng)Zigbee SEP2.0、工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（ DASH）等。IPv6/6Lowpan具有諸多優(yōu)勢(shì)：可以運(yùn)行在多種介質(zhì)上，如低

8、功耗無線、電力線載波、WiFi和以太網(wǎng)，有利于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一通信；IPv6可以實(shí)現(xiàn)端到端的通信，無需網(wǎng)關(guān)，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由協(xié)議，路由器可以休眠，也可以采用電池供電，應(yīng)用范圍廣，而 zigbee技術(shù)路由器不能休眠，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。 6Lowpa n標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到大量開源軟件實(shí)現(xiàn)，最著名的是Con tiki、Ti nyOS系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完整的協(xié)議棧，全部開源，完全免費(fèi)，已經(jīng)在許多產(chǎn)品中得到應(yīng)用。IPv6/6Lowpan協(xié)議將隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，很可能成為該領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。特性 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

9、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)。TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)采用Micropelt公 司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的ZigBee提供電源。 低成本。通過大幅簡(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)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)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2美元。 低速率。ZigBee工作在20250kbps的速率，分別提供 250 kbps(2.4GHz)、 40kbps(915 MHz)和20k

10、bps(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 10100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到13km這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(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15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要 310s、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

11、安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(AccessControl List, 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。使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國),868MHz(歐洲),2. 4GHz(全 球)，。由于此三個(gè)頻帶物理層并不相同，其各自信道帶寬也不同，分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個(gè),10個(gè)和16個(gè)信道。這三個(gè)頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴(kuò)頻都使用 直接序列擴(kuò)頻（DSSS），但從比特到碼 片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz

12、和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是 OQPSK。在發(fā)射功率為OdBm的情況下，藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能 達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米（Tl CC2530不加功率放大）。所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù)。無線數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于 CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且 支持無限擴(kuò)展。ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)范圍內(nèi)

13、，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以 從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù) 據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡(jiǎn)單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低的特點(diǎn)。而移動(dòng)通 信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象， 例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的 數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè) Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，

14、和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無線連接 數(shù)據(jù)米集ZigBee廠商里面,ZigBee數(shù)據(jù)采集應(yīng)該來說開創(chuàng)了 ZigBee技術(shù)的另外一種實(shí)用型技術(shù), 順舟科技的數(shù)據(jù)采集，具體涉及到模擬量、開關(guān)量的采集，如下表所示：SZ06 -XXX -X產(chǎn)品系列 傳輸距離 輸入輸出-X-X-X接口數(shù)量電源電殼體類型-00 （高低電平采集）SZ06 系列1-16 個(gè) DC524V -L鋁合金-01（開閉狀態(tài)輸入采集） -02（高低電平控制輸入） -03 （開閉狀態(tài)控制輸入） -04 （高低電平輸出）-05 （4-20MA輸入）-06 （0-200MV俞入）-07 （0-3.3V 輸入）-08

15、（0-5V 輸入）-09（DS18B20溫度傳感器）-10（PT100溫度傳感器）-11 （AM302溫濕度傳感器）-12 （可燃?xì)怏w采集）-13 （燈光控制）-14 （浸水報(bào)警）-15 （粉塵檢測(cè)）-16 （甲醛檢測(cè)）說明 型號(hào)SZ06-200-（05-4-08-2）-L ，表示順舟科技SZ06系列無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備、空 說明曠場(chǎng)地傳輸距離為200米、2個(gè)類型的輸入接口、 4路4-20MA輸入和2路0-5V電壓輸入、鋁合金外殼另外根據(jù)技術(shù)的不同，會(huì)有不同的應(yīng)用。比如根據(jù)智能家居又獨(dú)立出終端設(shè)備，具體可到 順舟科技官網(wǎng)了解。組網(wǎng)通信方式ZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

16、就可以說明這個(gè)問題，當(dāng) 隊(duì)傘兵空降z(mì)igbee自組織網(wǎng)通信方式后，每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的 通信范圍內(nèi)，通過彼此自動(dòng)尋找，很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動(dòng)，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對(duì)象， 確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？網(wǎng)狀網(wǎng)通信實(shí)際上就是多通道通信，在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于各種原因，往往并不能保證每 一個(gè)無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因?yàn)檐嚨?，道路維修等，使得 某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷，此時(shí)

17、由于我們有多個(gè)通道，車輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)） 仍然可以通過其他道路到達(dá)目的地。而這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制而言則非常重要。為什么自組織網(wǎng)要采用 動(dòng)態(tài)路由的方式？所謂動(dòng)態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對(duì)網(wǎng) 絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條 路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸，以 此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā) 生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于

18、繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結(jié)合 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個(gè)問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。ZigBee 與 GNU RadioGNU Radio是免費(fèi)的軟件開發(fā)工具套件。它提供信號(hào)運(yùn)行和處理模塊，用它可以在易制作 的低成本的射頻（RF）硬件和通用微處理器上實(shí)現(xiàn)軟件定義無線電。這套套件廣泛用于業(yè) 余愛好者，學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和商業(yè)機(jī)構(gòu)用來研究和構(gòu)建無線通信系統(tǒng)。GNU Radio的應(yīng)用主要是用Python編程語言來編寫的。但是其核心信號(hào)處理模塊是C+在帶浮點(diǎn)運(yùn)算的微處理器上構(gòu)建的。因此，開發(fā)者能夠簡(jiǎn)單快速的構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)、高容量的無線通信系統(tǒng)。盡管其 主要功用不是仿真器，GNU Radio在沒有射頻

19、RF硬件部件的境況下支持對(duì)預(yù)先存儲(chǔ)和（信號(hào)發(fā)生器）生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理的算法的研究。性能1 數(shù)據(jù)速率比較低，在2.4GHz的頻段只有250Kb/S，而且這只是鏈路上的速率，除掉信 道競(jìng)爭(zhēng)應(yīng)答和重傳等消耗，真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足 100Kb/s，并且余下的速 率可能要被鄰近多個(gè)節(jié)點(diǎn)和同一個(gè)節(jié)點(diǎn)的多個(gè)應(yīng)用所瓜分，因此不適合做視頻之類事情。適合的應(yīng)用領(lǐng)域一一傳感和控制2.在可靠性方面，ZigBee有很多方面進(jìn)行保證。物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù)，能夠在一定程度 上抵抗干擾，MAC應(yīng)用層（APS部分）有應(yīng)答重傳功能。MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送 前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。當(dāng)ZigB

20、ee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾，無法正常工作時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)的切換到另一個(gè)工作信道上。3時(shí)延由于ZigBee采用隨機(jī)接入MAC層，且不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式，因此不 能很好的支持一些實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)。4 能耗特性能耗特性是ZigBee的一個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。通常ZigBee節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速 率都比較低。在不需要通信時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入很低功耗的休眠狀態(tài)，此時(shí)能耗可能只有正 常工作狀態(tài)下的千分之一。由于一般情況下，休眠時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的大部分，有時(shí)正常 工作的時(shí)間還不到百分之一，因此達(dá)到很高的節(jié)能效果。5 組網(wǎng)和路由性一一網(wǎng)絡(luò)層特性ZigBee大規(guī)模的組網(wǎng)能力一一每個(gè)網(wǎng)絡(luò)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，而每個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)只有

21、8個(gè)節(jié)點(diǎn)。 因?yàn)閆igBee底層采用了直擴(kuò)技術(shù)，如果采用非信標(biāo)模式，網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展得很大，因?yàn)椴?需同步而且節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)和重新加入網(wǎng)絡(luò)的過程很快，一般可以做到 1秒以內(nèi)，甚至更快。 藍(lán)牙通常需要3秒。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由，所以可以布置 范圍很廣的網(wǎng)絡(luò)，并支持多播和廣播特性，能夠給豐富的應(yīng)用帶來有力的支持。學(xué)習(xí)方法ZigBee作為一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的短程 無線通信協(xié)議，已經(jīng)日益為大家所熟知，它最大的特點(diǎn)就 是低功耗、可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，理論上可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴(kuò)展。相對(duì)藍(lán)牙，紅外的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，和WLAN的星狀通信，ZigBee的協(xié)議就要

22、復(fù)雜得多了。那么我們究竟是該選擇 ZigBee芯片去自己開發(fā)協(xié)議呢，還是直接選擇已經(jīng) 帶有了 ZigBee協(xié)議的模塊直接應(yīng)用呢？ 玩轉(zhuǎn)芯片的代價(jià)：開發(fā)時(shí)間周期長(zhǎng)；人力和技術(shù)儲(chǔ)備雄厚。市場(chǎng)上的ZigBee射頻收發(fā) 芯片”實(shí)際上只是一個(gè)符合 物理層標(biāo)準(zhǔn)的芯片，它只負(fù)責(zé) 調(diào)制解 調(diào)無線通訊信號(hào)，所以必須結(jié)合單片機(jī)才能完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收發(fā)送和協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。而單芯 片也只是把射頻部分和單片機(jī)部分集成在了一起，不需要額外的一個(gè)單片機(jī)，它的好處是 節(jié)約成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)電路，但這種單芯片也并沒有包含 ZigBee協(xié)議在里面。這兩種情況都需要用戶根據(jù)單片機(jī)的結(jié)構(gòu)和寄存器的設(shè)置并參照物理層部分的 協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層部分的Zi

23、gBee協(xié)議自己去開發(fā)所有的軟件部分。這個(gè)工程量 對(duì)于做實(shí)際應(yīng)用的用戶來講是很大的，開發(fā)周期以及測(cè)試周期都是非常之長(zhǎng)的，更由于是 無線通訊產(chǎn)品，它的產(chǎn)品質(zhì)量也不是很容易得到保障的。即便許多ZigBee公司都提供自家芯片的ZigBee協(xié)議棧，但這只是提供一種協(xié)議的功能， 而并不代表它具有真正的可應(yīng)用性和可操作性，因?yàn)樗]有提供一個(gè)對(duì)用戶的數(shù)據(jù)接口 的詳細(xì)描述，用戶怎么才能不顧及芯片內(nèi)部的程序而很簡(jiǎn)單輕松的就把自己的數(shù)據(jù)通過芯 片發(fā)送出去，甚至組成路由獲取傳送更遠(yuǎn)方產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，這都不是只包括了ZigBee協(xié)議棧的芯片就能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的，ZigBee協(xié)議棧只是說它有了協(xié)議的所有組成部分，而究竟怎么 把

24、每部分結(jié)合并有條不紊的運(yùn)轉(zhuǎn)起來，并怎么實(shí)現(xiàn)和用戶自己數(shù)據(jù)的協(xié)議通訊？ 一個(gè)只包 含了 ZigBee協(xié)議棧的芯片是不可能實(shí)現(xiàn)得了的。直白點(diǎn)講，這些需要用戶根據(jù)完整的協(xié)議代碼和自己上層的通訊協(xié)議，再去一點(diǎn)一點(diǎn)每個(gè) 部分的去修改協(xié)議棧中的內(nèi)容，才能完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)無線收發(fā)，而要完成一條路由，甚至 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，那調(diào)試測(cè)試的時(shí)間則會(huì)需要更長(zhǎng)的。那么對(duì)于做實(shí)際應(yīng)用的用戶來講將 會(huì)大大耽誤開發(fā)周期，并且這種具有復(fù)雜協(xié)議的無線產(chǎn)品會(huì)具有更多的不定因素，更易受 到外界環(huán)境條件的影響，在實(shí)際開發(fā)中遇到的問題將會(huì)五花八門，難于應(yīng)付。玩轉(zhuǎn)模塊的代價(jià)：省去ZigBee開發(fā)周期，能在推廣項(xiàng)目上搶到先機(jī)。ZigBee模塊

25、是已經(jīng)包含了所有外圍電路和完整 協(xié)議棧的能夠立即投入使用的產(chǎn)品，已經(jīng)經(jīng) 過了廠家的優(yōu)化設(shè)計(jì)，和老化測(cè)試，有一定的質(zhì)量保證。優(yōu)秀可靠的zigBee應(yīng)用模塊”具有在硬件上設(shè)計(jì)緊湊，體積小，貼片式焊盤設(shè)計(jì)，可以內(nèi)置Chip或外置SMA天線，通訊距離從100米到1200米不等，還包含了 ADC，DAC，比較器，多個(gè)IO，I2C等接口和用 戶的產(chǎn)品相對(duì)接。軟件上包含了完整的 ZigBee協(xié)議棧，并有自己的PC上的配置工具，采 用串口和用戶產(chǎn)品進(jìn)行通訊，并可以對(duì)模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)的配置， 使用起來簡(jiǎn)單快捷。透?jìng)髂K的好處在于用戶不需要考慮模塊中程序如何運(yùn)行的，用戶只需要將自己的數(shù)據(jù)通 過

26、串口發(fā)送到模塊里，然后模塊會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)用無線發(fā)送出去，并按照預(yù)先配置好的網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)，和網(wǎng)絡(luò)中的目的地址 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行收發(fā)通訊了，接收模塊會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，如數(shù)據(jù)無誤 即通過串口送出。不過大多數(shù)用戶應(yīng)用Zigbee技術(shù)，都會(huì)有自己的數(shù)據(jù)處理方式，以致每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備都會(huì)擁有自己的CPU以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以仍可以把模塊當(dāng)成一種已經(jīng) 集成射頻、協(xié)議和程序的芯片”國內(nèi)外各個(gè)ZigBee芯片廠商及模塊廠商產(chǎn)品比對(duì)：各廠商及芯片型號(hào)Jennie (JN5148)TI(Chipe on) (CC2530)Freeseal (MC13192)EMBER(EM260)ATMEL(LINK-23X)ATMEL(Li n

27、k- 212)工作頻率（Hz）2.42.485G 2.42.485G2.42.485G 2.42.485G2.42.485G 779928M可用頻段數(shù)（個(gè)）16161616164無線速率（Kbit/s）2502502502502502000201000發(fā)射功率（dBm+2.5+4.5+3.6+3+3+10接收靈敏度（dBm-97-97-92-97-101-110取大發(fā)射電流（mA15353537.52130最大接收電流（mA18244241.52014休眠電流（uA）0.21110.280.5工作電壓范圍（V2.03.62.03.62.03.42.13.61.83.61.83.6硬件自動(dòng)CSM

28、A- CA有有無無有有硬件自動(dòng)幀重發(fā)有無無無有有硬件自動(dòng)幀確認(rèn)有無無無有有硬件自動(dòng)地址過有有無無有有渡硬件FCS計(jì)算功能有有硬件清除無線通道確認(rèn)有有硬件RSSI計(jì)算功有能有硬件 AES/DES有有硬件開放度不開放部分開放ZigBee廠家DIGI順舟科技廈門四信型號(hào)XBee模塊SZ05SZ06F8913工作頻率2.42.42.42.4(GHz)可用頻段數(shù) (個(gè))16161616無線速率250250250250(Kbps)發(fā)射功率0252525(dBm) 接收靈 敏度(dBm)-92-108-108-110發(fā)射電流45<70<7040(mA)接收電流50<55<5528(m

29、A)休眠電流<1055<0.4(uA)工作電2.83.455-242.03.6有有有有無無有有有有有有有有部分開放部分開放全開放 全開放得瑞紫蜂 上海數(shù)傳深圳鼎泰克北京云天創(chuàng)ZF1022/3 DT8836AADRF1601ATZGB-780F12.42.42.4779936M1616164250100025025022不詳410-102不詳-96-110<詳2519<15不詳0.51.83.61.83.65121.83.6壓（V）工作溫度C）-40804085-4085-4580-2070-40 80-4080-4080無PA室內(nèi)通信距離（m）

30、無PA30200200100300不詳100100室外通信距離（m）1002K2K5001.2K100400700（此對(duì)比表格都僅對(duì)于貼片式便于嵌入的模塊并僅依據(jù)各廠商的產(chǎn)品手冊(cè)提供的性能參數(shù) 進(jìn)行對(duì)比，但是如上海數(shù)傳等廠商，本人在官網(wǎng)上并沒法找到詳細(xì)的產(chǎn)品手冊(cè)，也有部分 廠商是模棱兩可的參數(shù)說明，如此表格有錯(cuò)誤的地方，歡迎使用過的或者了解其模塊的朋 友可以對(duì)表格進(jìn)行修改完善。）國內(nèi)做zigbee模塊的廠商并不多，本人也只是挑選了部分個(gè)人熟知的廠商進(jìn)行了一個(gè)小對(duì) 比，部分廠商的產(chǎn)品本人也并未入手進(jìn)行過測(cè)試，所以室內(nèi)室外的通信距離本人并不是很 清楚。有些廠商會(huì)加外部功放，有些并沒有加，以至于通信

31、距離上來說都是不同的，并且 無線通信產(chǎn)品特別是ZigBee，環(huán)境對(duì)其的通信距離影響很大，各廠商的實(shí)測(cè)環(huán)境也各不相 同（有些是置高，有些是功放較大），產(chǎn)品手冊(cè)上的通信距離最好只是作為一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)， 僅供參考之用。假如對(duì)這方面有興趣的朋友，或者正想使用 ZigBee進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的朋友，詢問相關(guān)模塊 的時(shí)候最好將自己的需求進(jìn)行一個(gè)較為清晰的定位，如距離、數(shù)據(jù)量、組網(wǎng)、應(yīng)用場(chǎng)景等。 因?yàn)閆igbee為近距離、低功耗、小數(shù)據(jù)量的技術(shù)，所以具體應(yīng)用要求比較高，如在不考慮 功耗的情況下，對(duì)于距離要求較高的應(yīng)用，可以使用號(hào)稱點(diǎn)對(duì)點(diǎn)能夠傳10Km20Km遠(yuǎn)的XBEE模塊；如溫濕度等數(shù)據(jù)采集，需要功耗較低，數(shù)據(jù)量

32、不大，距離近的可以使用一些 公司的低功耗模塊（距離遠(yuǎn)就犧牲了功耗），可以使用順舟科技等公司的模塊。值得一提 的是，由于ZigBee采用隨機(jī)接入MAC層，且不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式，部分 ZigBee模塊一般會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，返回 ACK等操作（一般射頻芯片等硬件層會(huì)自帶， 部分公司模塊會(huì)在程序上也進(jìn)行相應(yīng)操作），網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)采集的 數(shù)據(jù)到服務(wù)器的時(shí)間就越長(zhǎng)，因此不能很好的支持一些實(shí)時(shí)性要求較高的業(yè)務(wù)。聯(lián)盟ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)高速成長(zhǎng)的非盈利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提 供者、技術(shù)集成商以及最終使用者。聯(lián)盟制定了基于，具有高可靠、高性價(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)

33、應(yīng)用規(guī)格。ZigBee聯(lián)盟的主要目標(biāo)是以通過加入無線網(wǎng)絡(luò)功能，為消費(fèi)者提供更富有彈性、更容易使 用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類電子產(chǎn)品，應(yīng)用范圍橫跨全球的民用、商用、公共 事業(yè)以及工業(yè)等市場(chǎng)。使得聯(lián)盟會(huì)員可以利用ZigBee這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點(diǎn)為制定網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用軟件層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通 性測(cè)試規(guī)格；在世界各地推廣 ZigBee品牌并爭(zhēng)取市場(chǎng)的關(guān)注；管理技術(shù)的發(fā)展。ZigBee聯(lián)盟對(duì)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的制定：的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標(biāo) 準(zhǔn)已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及

34、應(yīng)用描述層的制定也取得了較大的進(jìn) 展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會(huì)陸續(xù)發(fā)布。由于ZigBee不僅只是的代名詞，而且IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此 ZigBee 聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基 本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié)或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá) 255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距 離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。應(yīng)用及前景隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市的規(guī)

35、模在不斷擴(kuò)大，尤其是各種交通工具的增長(zhǎng)更迅速， 從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出，而單靠擴(kuò)大道路交通基礎(chǔ)設(shè)施來緩解矛盾的 做法已難以為繼。在這種情況下，智能公交系統(tǒng)(Adva ncedPublicTra nsportatio nSystems ，APTS)也就應(yīng)運(yùn)而生，并且成為國內(nèi)研究的熱點(diǎn)。在智能公交系統(tǒng)所涉及的各種技術(shù)中， 無線通信技術(shù)尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術(shù)，更是得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。市場(chǎng)上也出現(xiàn)了大量與ZigBee相關(guān)的各種產(chǎn)品，根據(jù)中國物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟 的統(tǒng)計(jì)分析表明：zigbee雖然廣受推崇，但是在數(shù)據(jù)中，推出 zigbee

36、相關(guān)產(chǎn)品的中小型企業(yè)在 2012年的發(fā)展并不可觀。其中，比較有競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案主要有下面幾種：Freescale : MC1319X 平臺(tái);(2) Chipcon : SoC 解決方案 CC2530 ;(3) Ember : EM250ZigBee系統(tǒng)晶片及EM260網(wǎng)絡(luò)處理器；Jennie 的 JN5121 芯片；經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)Freescale的MC1319X平臺(tái)功耗低、價(jià)格低廉、硬件集成度高，方 便二次開發(fā)，射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。所以，在本文的設(shè)計(jì)中選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的以FreescaleMC1319x 芯片組為核心的 XBeeProRF模塊

37、。下面主要介 紹XbeePro的特性、接口應(yīng)用、操作模式以及在智能公交無線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。IXBeePro模塊的特性與接口XBee模塊的基本性能參數(shù)如下：(1)發(fā)送功率：100mW;接收靈敏度：-92dBm;(3) 室內(nèi)傳輸距離為100m，室外傳輸距離為1500m;(4) RF數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps;3XBeePro模塊在智能公交系統(tǒng)中的應(yīng)用在站牌處通常會(huì)有多輛公交車同時(shí)到達(dá)，一個(gè)站牌對(duì)應(yīng)多輛公交車，適合使用星狀網(wǎng)布線 網(wǎng)絡(luò)。但為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，當(dāng)公交車站牌外的通道阻塞時(shí)，可以通過其它公交車路 由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到站牌，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)模型?？蓪⒎植荚诠痪€路上的電子站牌配 置為協(xié)

38、調(diào)器，而將到達(dá)的公交車配置為路由器。當(dāng)站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和 PANID并啟動(dòng)時(shí)，便建立了一個(gè)ZigBee個(gè) 人局網(wǎng)(PAN)。一旦協(xié)調(diào)器已啟動(dòng)PAN，便可允許路由器和終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)加入 PAN。路由 器加入PAN時(shí)，將收到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，并且能夠發(fā)送和接收來自PAN內(nèi)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。PAN協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址總是0。由于站牌上ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)物理地址是唯 一的，可以通過物理地址向站牌發(fā)送信息。在3.3V電源下，發(fā)送電流為215mA，接收電流為55mA :在網(wǎng)絡(luò)性能方面，具有DSS(直接序列擴(kuò)頻)功能，可以組成對(duì)等網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)，具有12個(gè)軟件可選的直接序

39、列信道，每個(gè)信道有 65000個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)地址。XBeePro模塊體積小，功耗低，接口簡(jiǎn)單，容易使用，非常適用于低數(shù)據(jù)速率的短距離通 信應(yīng)用，尤其是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。XBeePro模塊還提供有免費(fèi)X-CTU測(cè)試軟件以便能夠輕松測(cè)試和配置網(wǎng)絡(luò)。該模塊還可以通過下載該公司最新的固件(Firmware)，使用戶在使用原有硬件模塊的基礎(chǔ)上，獲得最新的功能，從而為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。2XBeePro模塊的操作模式XBeePro有空模式、接收模式、發(fā)送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式，如圖3所示。每一種操作模式都有透明方式和應(yīng)用程序接口（API）方式兩種操作方式。當(dāng)工作在透明方式時(shí)，模塊可起

40、到替代串口線的作用，并以字節(jié)為單位來處理各種信息；當(dāng)工作在API方式下，所有進(jìn)出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結(jié)構(gòu)中o應(yīng)用實(shí)例zigbee 模塊：ZigBee模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為用戶提供 無線數(shù)據(jù)傳輸功能 該產(chǎn)品采用高性能的工業(yè)級(jí) ZigBee方案，提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；低功耗設(shè)計(jì)，最低功耗小于1mA ;提供6路I/O,可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出；其中有 3路I/O還可實(shí)現(xiàn)模擬量采集、脈沖計(jì)數(shù)等功能。該產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的 M2M行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、 金融、移動(dòng)POS終端、