【無線射頻技術(shù)】-新型無線通信技術(shù)Zigbee

1/1新型無線通信技術(shù)Zigbee1、引言

隨著通信技術(shù)的快速進展，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)成為通信技術(shù)中的一大熱點。各種網(wǎng)絡終端的消失、工業(yè)掌握的自動化和家庭的智能化等都迫切需要一種具備低成本、近距離、低功耗、組網(wǎng)力量強等優(yōu)點的無線互聯(lián)標準，Zigbee就是在這樣的背景下應運而生的。Zigbee聯(lián)盟成立于2023年8月。2023年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導體公司共同宣布，將加盟“Zigbee聯(lián)盟”來研發(fā)下一代無線通信標準“Zigbee”。這一標準主要用于近距離無線連接，適合承載數(shù)據(jù)流量較小的工業(yè)掌握、醫(yī)用設備掌握、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和消費性電子設備等。

2、Zigbee技術(shù)

(1)Zigbee與IEEE802.15.4

Zigbee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的關(guān)于組網(wǎng)、平安和應用軟件等方面的技術(shù)標準。Zigbee技術(shù)并不是完全獨立、全新的標準，它的物理層、MAC層采納了IEEE802.15.4協(xié)議標準。

IEEE802.15.4標準是由IEEE無線個人局域網(wǎng)(PAN)工作組制定的。這一標準旨在為低能耗的簡潔設備供應有效掩蓋范圍在10m左右的低速率連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監(jiān)測等應用領域。IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個物理層，即2.4GHz頻段物理層和868MHz(歐洲)/915MHz(北美)頻段物理層。在802.15.4標準中，總共安排了27個具有三種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kbit/s的信道，在915MHz頻段有10個40kbit/s的信道，在868MHz頻段有1個20kbit/s的信道。

Zigbee聯(lián)盟在IEEE802.15.4物理層、MAC層的基礎上，對其網(wǎng)絡層協(xié)議和應用程序接口(API)進行了標準化，并對平安層進行了開發(fā)。完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。應用匯聚層是把不同的應用映射到Zigbee網(wǎng)絡上，主要包括平安屬性設置和多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚等功能;網(wǎng)絡層則可實現(xiàn)網(wǎng)絡的自組織和自維護，從而降低了網(wǎng)絡的維護成本。Zigbee協(xié)議構(gòu)架如圖1所示。

圖1Zigbee協(xié)議構(gòu)架

(2)Zigbee的特點

Zigbee技術(shù)在短距離無線通信領域有著較大的優(yōu)勢，這主要是它的自身特點打算的。Zigbee的特點如下。

低功耗：在低功耗待機狀態(tài)下，兩節(jié)五號干電池可使用6～24個月，從而免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。

短時延：Zigbee的響應速度快，一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms，節(jié)點接入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)約了電能。

低速率：Zigbee工作在20～250kbit/s的較低速率，滿意低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

近距離：有效掩蓋范圍為10～100m，基本上能夠掩蓋一般的家庭或辦公室環(huán)境。

低成本：Zigbee簡潔而緊湊的協(xié)議大大降低了其對通信掌握的要求，而且Zigbee免協(xié)議專利費。

大容量：Zigbee可采納星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

高平安性：Zigbee供應了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)力量，采納AES-128加密算法。

免執(zhí)照頻段：采納直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)、868MHz(歐洲)。

(3)Zigbee與藍牙技術(shù)的比較

Bluetooth(藍牙)技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與通信的開放性標準，它基本上只是設計作為有線的替代品。藍牙也工作在2.4GHzISM頻段，使用跳頻頻譜擴展技術(shù)。它可以在不充電的狀況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不行能達到幾年。一般狀況下，藍牙同一時間只能處理8個設備，假如更多的話，通信速率將顯著下降。

藍牙技術(shù)和Zigbee都致力于短距離無線連接，有許多相像之處，但也有許多不同點。Zigbee與藍牙的特征比較如表1所示。

表1Zigbee與Bluetooth特征比較

由表1我們可以清晰地看到Bluetooth技術(shù)集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持續(xù)時間、節(jié)點數(shù)以及反應時間等方面都無法與Zigbee相比擬?？梢哉fZigbee填補了低速率端無線通信技術(shù)的空缺，而且它與其他標準在應用上幾乎是無交叉的，這使得Zigbee在工業(yè)掌握、無線傳感器網(wǎng)絡等領域中比Bluetooth更具有優(yōu)勢。

3、Zigbee的高節(jié)能性

Zigbee之所以得到眾多廠商的大力支持，其低功耗特性是主要緣由之一。對電池供電的簡潔器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不行行的，如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡。

由于Zigbee應用的低帶寬要求，Zigbee節(jié)點可以在大部分時間內(nèi)處于睡眠狀態(tài)，以節(jié)約電池能量。當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點將被快速喚醒并進入發(fā)送數(shù)據(jù)狀態(tài)，結(jié)束發(fā)送后又會轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)。Zigbee可以在15ms或更短的時間內(nèi)由睡眠狀態(tài)進入工作狀態(tài)，因此即使處于睡眠狀態(tài)的節(jié)點也能做到低時延。

Zigbee強大的節(jié)能性大部分應歸功于IEEE802.15.4技術(shù)，由于后者本身就是為低功率而設計的。例如，IEEE802.15.4采納DSSS(直接序列擴頻)技術(shù)取代FHSS(跳頻頻譜擴展)技術(shù)，由于跳頻頻譜擴展技術(shù)為了保持同步跳頻會消耗較多的功率。

Zigbee采納一種“預備好才發(fā)送”的通信策略，它只在有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才發(fā)送數(shù)據(jù)，然后再等待自動確認?！邦A備好才發(fā)送”是一種“面對面”式的方案，是一種能量效率特別高的方案。而且，這種“面對面”式策略使得射頻干擾特別低，這主要是由于Zigbee節(jié)點具有特別低的占空比，只間或放射信號且只發(fā)送少量的數(shù)據(jù)。

不過，Zigbee的“預備好才發(fā)送”方案并不是萬能的。例如，在一個由成千上萬個微型傳感器構(gòu)成的網(wǎng)絡中，這種方案節(jié)約的能量可能仍不夠用。由于每個網(wǎng)絡節(jié)點都定期發(fā)送數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)必需經(jīng)過四周其他的節(jié)點多次反復傳送才能到達網(wǎng)絡掌握器，大量的數(shù)據(jù)包沖突和重復傳送會鋪張能量，這樣就會縮短傳感器節(jié)點的電池壽命。假如傳感器電池特別小并且能量有限的話，就不能滿意系統(tǒng)供電的要求。

但Zigbee仍有更多的節(jié)能設計。它通過削減對相關(guān)處理的需要來進一步節(jié)約能量。Zigbee協(xié)議棧特別簡潔，占用很少的內(nèi)存，一個8位處理器就可以輕松地完成Zigbee的任務，例如一個功能強大的全功能設備(FullFunctionDevice，F(xiàn)FD)需要大約32KB內(nèi)存，而一個精簡功能設備(ReducedFunctionDevice，RFD)只需要4KB內(nèi)存。而藍牙技術(shù)則需要約250KB的內(nèi)存，Zigbee相對簡潔地實現(xiàn)也節(jié)約了費用。

4、Zigbee技術(shù)的應用前景

Zigbee的動身點是要進展一種簡單建設的低成本無線網(wǎng)絡。依據(jù)Zigbee聯(lián)盟和參加聯(lián)盟的主要廠商的基本設想，產(chǎn)品應供應一站式的解決方案，使不熟識RF技術(shù)的人員也能快速上手。因此其產(chǎn)品不僅供應RF的無線信道解決方案，同時其內(nèi)置的協(xié)議?？赏瓿蒢igbee的通信、組網(wǎng)等無線溝通方面的工作，用戶只需要依據(jù)協(xié)議供應的標準接口進行應用軟件編程即可。

Zigbee主要應用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間。通常，符合下列條件的應