Zigbee無(wú)線通信技術(shù)

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Zigbee無(wú)線通信技術(shù)

一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍四、小結(jié)一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介一、什么是Zigbee？ Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動(dòng)物通過簡(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)。一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介二、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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee采取了IEEE802.15.4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)特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率二、短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)三、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢(shì)五、Zigbee物理信道六、Zigbee協(xié)議棧七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型九、Zigbee抗干擾能力十、ZigBee可靠鏈路二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率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915MHz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。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析二、短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

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(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。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。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析三、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較ZigBee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。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢(shì)

①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6～24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)。

②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。

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。傳輸范圍一般介于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)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析 ⑤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(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)。

⑦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)(AES128)的對(duì)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,2.4GHz(全球)、915MHz(美國(guó))和868MHz(歐洲)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析五、Zigbee物理信道ZigBee在2.4G的頻段上具有16個(gè)信道，從2.405GHz—2.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析六、Zigbee協(xié)議棧ZigBee采取了IEEE802.15.4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。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(lái)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(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；星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。星型Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)簇狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備（FFD，Router）精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析八、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(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。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析九、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/FrequencyAgility）；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，以避開從一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源來(lái)的影響的能力；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析實(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)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析十、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)Freqencyagility

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)問題進(jìn)行重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸Packetdatafreshness二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析通信可靠機(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，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；ZigB