Zigbee無線通信技術(shù)

Zigbee無線通信技術(shù)摘要09833是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱(又稱紫蜂協(xié)議)來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”⑵g)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，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)。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。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。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IEEE802.15.4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、低功耗和低速率無線通信市場的空缺，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，將有越來越多的置式ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入我們的生活，并將極改善我們的生活方式和體驗(yàn)。一、 Zigbee技術(shù)簡介Word資料什么是Zigbee?Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實(shí)現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(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Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國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)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)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee采取了IEEE802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)：省電、簡單、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)域包括無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場合；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析1.ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率Word資料

2.4GHz868MHz915MHz頻帶使用范圍數(shù)據(jù)傳輸率信道教ISM全世界250kbps16歐洲20kbpsISM2.4GHz868MHz915MHz頻帶使用范圍數(shù)據(jù)傳輸率信道教ISM全世界250kbps16歐洲20kbpsISM北美40kbp竄10ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個；ZigBee在中用2.4G的ISM頻段，是免申請和免使用費(fèi)的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250K。.短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)0.01 0.1 1 10 100 1000數(shù)據(jù)傳輸率0.01 0.1 1 10 100 1000數(shù)據(jù)傳輸率(Mbps)傳輸范用Word資料ZigBee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,與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò)，就是無線個人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸是非常合適的。ZigBee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。.無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較始巾GPR.S/CSMIxRTT/CDMA802allbRllWtOQtll?802a15BlZigBee?802a15a4每m壬點(diǎn)J廚界r^ri戲敵掘Wirli,1 ,用曾電纜甘代品臨調(diào)蟲捽的公經(jīng)福流1I5MB+1MB+250KR+4KB-32KE41池右命g1至7D.5至51至71D0至1,000?入小1327255/65.000:t克fi4-128+11,000+72Q20-250化6印禽（求） 1-1001-10+1-HI0+瑾晶ritl大一周手就摩一公活件份略使Ti■一方使可笑，畦由上巳價略使TTZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s圍，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸；ZigBee無線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量達(dá)到65535個,具有非常強(qiáng)大的組網(wǎng)優(yōu)勢；ZigBee技術(shù)特有的低功耗設(shè)計(jì)，可以保證電池工作很長時間。.zigbee技術(shù)優(yōu)勢①低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工Word資料作6?24個月，甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。②低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算,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)。每塊芯片的價格大約為2美元。③低速率。Zigbee工作在20?250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)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。④近距離。傳輸圍一般介于10?100m之間在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1?3km。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)。⑤短時延。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3?10s、WiFi需要3s。⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn);同時主節(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個節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。⑧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24Word資料

GHz（全球）、915MHz（美國）和868MHz（歐洲）。5.Zigbee物理信道Channel08€8MHz/915MHzPHY iChannels1-10-2MHzuuuuuS68.3NHZChannel08€8MHz/915MHzPHY iChannels1-10-2MHzuuuuuS68.3NHZ2.4GHzChannels11-26 一| |一SMHz工4GHz 2.4S35CHZZigBee在2.4G的頻段上具有16個信道，從2.405GHz—■應(yīng)用層■應(yīng)用層■/困日ee*通信?！鲇采?.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。Zigbee協(xié)議棧。位微處理器協(xié)議棧簡捷緊湊二4KT冰網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)容納網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的設(shè)備信息、數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表、與安全有關(guān)的密鑰存儲等Word資料

ZigBee采取了IEEE802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(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)Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)■ Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)■ 網(wǎng)格斑調(diào)器全功篦設(shè)備，(FH)1Router)■簇狀網(wǎng)■簇狀網(wǎng)c精簡功能設(shè)番(RFD)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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“多級跳”的方式來通信；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；Word資料星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對較近的應(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲容量最大、計(jì)算機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對節(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器、計(jì)算機(jī)能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由作用。也可能做終端設(shè)備精簡功能設(shè)備（RFD）:RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性在網(wǎng)絡(luò)常用作終端設(shè)備。ZigBee相對簡單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD由于省掉了存和其他電路，降低了ZigBee部件成本，而簡單的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)（DirectWord資料

Sequence/FrequencyAgility）；ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴(kuò)展的能力也最強(qiáng)；ZigBee具備的頻率快變就是改變頻率，以避開從一個已知干擾源或信號源來的影響的能力；、i=r

反

碼

率WE40iM4i、i=r

反

碼

率WE40iM4i送心3IDE4HLDE-WitJGflr?IDE.CSWE可曲.?4Bd.B02.lt>他1搦B由卬1—m—啦.他|?1次外―M——*—^即"T施力?802.15.4在任信噪比的

環(huán)境下誤碼率很低丁藍(lán)牙要達(dá)到i口-g餒碼率，信噪比要為16信喋比信喋比dB■.SNHF國實(shí)驗(yàn)證明IEEE802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達(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對干擾能量進(jìn)行檢測Word資料

采用跳頻技術(shù)Freqencyagility協(xié)議基于CRC的誤碼檢測/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)留了專業(yè)的有保證的時隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問題進(jìn)行重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時傳輸Packetdatafreshness通信可靠機(jī)制ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機(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)使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(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，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或刪除一個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(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Word資料通信可靠性。三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用圍.適合若9866傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型周期性數(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)時間數(shù)據(jù)：如鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù).適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場合設(shè)備成本低、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有充足的電源支持，只能使用一次性電池需要較大圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制.Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸區(qū)域一□、口系統(tǒng)概述利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無線網(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喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每2196。。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)上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，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?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)；利用ZIGBEE技術(shù)優(yōu)勢組建無線傳感器網(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)，這個匯接點(diǎn)就是ZIGBEE的中心節(jié)點(diǎn)；遠(yuǎn)程管理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。系統(tǒng)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集Word資料遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(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)；房間的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個節(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ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網(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)建成一個完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò),是個通信非?？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Word資料

系統(tǒng)概述采用ZIGBEE和太陽能結(jié)合的無線控制系統(tǒng)，無須挖路布設(shè)控制線路，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線自動組網(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)安裝方式對交通干擾所帶來的經(jīng)濟(jì)損失，而且也避免Word資料了由于城市快速發(fā)展，道路拓展等變化對原有預(yù)埋管線的干擾。系統(tǒng)應(yīng)用路口交通信號燈控制遠(yuǎn)程交通信號控制道路信息采集停車收費(fèi)系統(tǒng)?4、無線點(diǎn)餐系統(tǒng)系統(tǒng)概述餐廳ZigBee無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBeeWord資料節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成了完整的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息處理的自動化;置無線ZIGBEE通信模塊的手持點(diǎn)餐終端，服務(wù)員通過手持的點(diǎn)餐終端處理顧客的點(diǎn)單，用戶訂單通過終端和大廳的ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動的上傳到廚房和收銀臺無線通信系統(tǒng)的ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)、無線ZIGBEE路由和無線點(diǎn)餐終端，夠構(gòu)成一個蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信