zigbee技術(shù)概述

1、本章內(nèi)容1. 什么是ZigBee技術(shù)2. ZigBee技術(shù)特點(diǎn)3. ZigBee與Wi-Fi、藍(lán)牙的區(qū)別4. ZigBee設(shè)備類型5. ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述6. ZigBee協(xié)議架構(gòu)7. ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域什么是ZigBee Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)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、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和

2、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早期也被稱為 “HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無(wú)線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)。 ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行) 和915 MHz(美國(guó)流行)3個(gè)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 。Zigbee的發(fā)展歷程p2002年,zigbee Alliance成立. p2004年,zigbee V1

3、.0誕生.它是zigbee的第一個(gè)規(guī)范.但由于推出倉(cāng)促,存在一些錯(cuò)誤. p2006年,推出zigbee 2006,比較完善. p2007年底,zigbee PRO推出ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee具體如下技術(shù)特點(diǎn)：1. 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(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。 相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。 現(xiàn)在，TI公司和德國(guó)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

4、司的Zigbee提供電源。ZigBee技術(shù)特點(diǎn)2. 低成本 由于ZigBee模塊的復(fù)雜度不高，ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)，再加之使用的頻段無(wú)需付費(fèi)，所以它的成本較低。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)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)。 市面上的zigbee學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)板大概是500-700人民幣三個(gè)模塊，其中有帶功放的，傳輸距離遠(yuǎn)一點(diǎn)，如果需要LCD顯示器的話可能會(huì)貴一點(diǎn)，價(jià)格會(huì)在兩千左右（三四個(gè)節(jié)點(diǎn)），但這是開(kāi)發(fā)板，如果自己焊制、生產(chǎn)一個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于以

5、上的價(jià)格，批量生產(chǎn)的話應(yīng)該可以控制在50元人民幣左右成都無(wú)限龍公司和蜂舞Zigbee公司是市場(chǎng)上的主力軍，除了提供開(kāi)發(fā)套件，還承接Zigbee項(xiàng)目。3. 時(shí)延短 通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。相比較,藍(lán)牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 這種毫秒級(jí)的時(shí)延，在實(shí)時(shí)性要求不太高的網(wǎng)絡(luò)中是非常高效的，在有一定時(shí)延要求的網(wǎng)絡(luò)中也是佼佼者。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)4. 網(wǎng)絡(luò)容量大一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備, 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),

6、 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可有65000多個(gè)節(jié)點(diǎn)。bluetooth-每個(gè)網(wǎng)絡(luò)8個(gè)節(jié)點(diǎn). ZigBee技術(shù)特點(diǎn)5. 可靠采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開(kāi)了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可進(jìn)行重發(fā)。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee技術(shù)特點(diǎn)6. 安全 ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,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。 Zigbee 提供了三級(jí)安全模式,

7、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)7.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868MHz(歐洲)。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)8.傳輸距離靈活 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)。 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee與Wi-Fi、藍(lán)牙的區(qū)別ZigBee設(shè)備類型1. ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）2. ZigBee路由器（Router）3. ZigBee終端設(shè)備

8、（End-device） 一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種設(shè)備中最復(fù)雜的，存儲(chǔ)容量大、計(jì)算能力最強(qiáng)。它主要用于發(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)間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成，這個(gè)協(xié)調(diào)器的作用就像路由器節(jié)點(diǎn)。ZigBee設(shè)備類型ZigBee路由器（Router） 它的執(zhí)行功能包括允許其它設(shè)備加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，跳躍路由，輔助子樹(shù)下電池供電終端的通信。 通常,路由器全時(shí)間處在活動(dòng)狀態(tài),因此為主供電。但是在樹(shù)狀拓?fù)渲?允許路由器操作周期運(yùn)

9、行,因此這個(gè)情況下允許路由器電池供電。ZigBee設(shè)備類型ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個(gè)終端設(shè)備對(duì)于維護(hù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒(méi)有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配看它自己選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點(diǎn)。ZigBee設(shè)備類型p 簡(jiǎn)單的說(shuō)，Zigbee是一種高可靠的無(wú)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(wú)限擴(kuò)展。 pZigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，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(wú)

10、限擴(kuò)展。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p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(yǔ)音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)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(guò)來(lái)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)，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(wú)線連接。 ZigBee

11、網(wǎng)絡(luò)描述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee支持三種自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu) (Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)備類型拓?fù)漕愋褪欠癯蔀閰f(xié)調(diào)器 通話對(duì)象全功能設(shè)備星型、樹(shù)狀、網(wǎng)狀可以與任何ZigBee設(shè)備通話簡(jiǎn)化功能設(shè)備星型不可以與協(xié)調(diào)器、路由器通話，不能與終端設(shè)備通話ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述pZigbee采用的自組織網(wǎng)通信方式 pZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，當(dāng)一隊(duì)傘兵空降后，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

12、此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過(guò)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(guò)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網(wǎng)絡(luò)描述pZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來(lái)通信？p為什么自組織網(wǎng)要采用動(dòng)態(tài)路由的方式？ ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p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(wú)線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因?yàn)榈缆肪S修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷，此時(shí)由于我們有多個(gè)通道，車(chē)輛（相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通

13、過(guò)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。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p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(guò)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(guò)于繁忙不能進(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(wèn)題，從而保證

14、數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述ZigBee協(xié)議架構(gòu) ZigBee協(xié)議由應(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)。ZigBee/IEEE802.15.4規(guī)格架構(gòu)ZigBee/IEEE802.15.4規(guī)格架構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮锢韺庸δ埽?. 激活和休眠射頻收發(fā)器；2. 信道能量檢測(cè)（energy detect）；3. 檢測(cè)接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication , LQI）；4. 空閑信道評(píng)估（clear channel assessment, CCA）；5. 收發(fā)數(shù)

15、據(jù)。ZigBee協(xié)議架構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層功能：1. 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)議器同步；2. 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作；3. 支持無(wú)線信道通信安全；4. 使用CSMA-CA機(jī)制訪問(wèn)信道；5. 支持時(shí)槽保障（guaranteed time slot, GTS）機(jī)制；6. 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。 ZigBee協(xié)議架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層功能：pZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZIgBee的MAC層（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用

16、層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。p網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體（NLDE）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLDE-SAP）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；p網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體（NLME）通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（NLME-SAP）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（NIB）的維護(hù)和管理。ZigBee協(xié)議架構(gòu)應(yīng)用會(huì)聚層功能：該層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：1. 安全與鑒權(quán)2. 多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚 3. 設(shè)備發(fā)現(xiàn) 4. 服務(wù)發(fā)現(xiàn)Z

17、igBee協(xié)議架構(gòu) 智能家庭領(lǐng)域 可以應(yīng)用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機(jī)、 門(mén)禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開(kāi)燈，就不需要走到墻壁開(kāi)關(guān)處，直接通過(guò)遙控便可開(kāi)燈。當(dāng)你打開(kāi)電視機(jī) 時(shí)，燈光會(huì)自動(dòng)減弱;當(dāng)電話鈴響起時(shí)或你拿起話機(jī)準(zhǔn)備打電話時(shí)，電視機(jī)會(huì)自動(dòng)靜音。通過(guò)ZigBee終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備， 或是通過(guò)遙控達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的，提供家居生活自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域 通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如 火警的感測(cè)和通知，照明系統(tǒng)之感測(cè)，生產(chǎn)機(jī)臺(tái)之流程控