Zigbee無(wú)線通信技術(shù)詳解解析

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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一詞源自蜜蜂群在覺(jué)察花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，到達(dá)交換信息的目的。可以說(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的溝通。人們借此稱(chēng)呼一種專(zhuān)注于低功耗、低本錢(qián)、低簡(jiǎn)單度、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2023年8月，2023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，這一大事成為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)時(shí)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、低本錢(qián)、低簡(jiǎn)單度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee實(shí)行了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)潔、本錢(qián)又低的規(guī)格；ZigBee增加了規(guī)律網(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)掌握、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備掌握、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)掌握等場(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)錁?gòu)造八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型九、Zigbee抗干擾力量十、ZigBee牢靠鏈路二、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)承受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)采集和掌握信號(hào)的傳輸是特別適宜的。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低本錢(qián)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)采集和掌握數(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)容量到達(dá)65535個(gè)，具有特別強(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低本錢(qián)。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對(duì)通信掌握器的要求,按猜測(cè)分析,以8051的8位微掌握器測(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(zhuān)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,分別供給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放射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。假設(shè)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)。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可承受星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)治理假設(shè)干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可治理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)治理,最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

⑦高安全。Zigbee供給了三級(jí)安全模式,包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入掌握清單(ACL)防止非法獵取數(shù)據(jù)以及承受高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱(chēng)密碼,以敏捷確定其安全屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。承受直接序列擴(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)_力量。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析六、Zigbee協(xié)議棧ZigBee實(shí)行了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增加了規(guī)律網(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)的全都化，利于產(chǎn)品的互連互通；ZigBee連續(xù)與IEEE嚴(yán)密結(jié)合，以保證向市場(chǎng)供給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)錁?gòu)造ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)力量，可以形成星型、樹(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以依據(jù)實(shí)際工程需要來(lái)選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信；該拓?fù)錁?gòu)造還可以組成極為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能；星型和族樹(shù)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(lèi)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包括全部的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類(lèi)型中最簡(jiǎn)單的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算機(jī)力量強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、治理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、查找一對(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)當(dāng)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具備掌握器的功能，可供給信息雙向傳輸。附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.15.4功能和全部特征更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)力量可使其在空閑時(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)掌握本錢(qián)和簡(jiǎn)單性在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。ZigBee相對(duì)簡(jiǎn)潔的實(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部件本錢(qián)，而簡(jiǎn)潔的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低本錢(qián)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析九、Zigbee抗干擾力量ZigBee在物理層承受高處理增益的直序/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)展的力量也最強(qiáng)；ZigBee具備的頻率快變就是轉(zhuǎn)變頻率，以避開(kāi)從一個(gè)干擾源或信號(hào)源來(lái)的影響的力量；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析試驗(yàn)證明的誤碼率，特殊是在信噪比為4dB的狀況下可到達(dá)10-9；到達(dá)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牢靠鏈路物理層RF通信鏈路直序擴(kuò)頻承受高處理增益明晰的信道檢測(cè)對(duì)干擾能量進(jìn)展檢測(cè)承受跳頻技術(shù)Freqencyagility協(xié)議基于CRC的誤碼檢測(cè)/校正實(shí)行了避開(kāi)沖突的策略CSMA/CA為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)業(yè)的有保證的時(shí)隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于承受方確實(shí)認(rèn)，如消失問(wèn)題進(jìn)展重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包的準(zhǔn)時(shí)傳輸Packetdatafreshness二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析通信牢靠機(jī)制ZigBee承受了CSMA-CA的碰撞避開(kāi)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(zhuān)用時(shí)隙，避開(kāi)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層承受了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包必需等待承受方確實(shí)認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈力量強(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，組成構(gòu)造化的網(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)錁?gòu)造進(jìn)展相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍舊能正常工作。ZigBee技術(shù)RF物理層上的設(shè)計(jì)保證了較強(qiáng)的抗干擾力量和通信牢靠性；ZigBee技術(shù)在通信協(xié)議上的牢靠設(shè)計(jì)，保證了較強(qiáng)的抗干擾力量和通信牢靠性。三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍一、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)型二、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍一、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類(lèi)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)連續(xù)性數(shù)據(jù)工業(yè)掌握命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)掌握、家用電器掌握反復(fù)性低反響時(shí)間數(shù)據(jù)如鼠標(biāo)鍵盤(pán)數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù)

三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍二、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)備本錢(qián)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(méi)有充分的電源支持，只能使用一次性電池需要較大范圍的通信掩蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備特別多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或掌握三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)3、無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)4、智能交通掌握系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍系統(tǒng)概述利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無(wú)線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)承受星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，削減了傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)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)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲咕W(wǎng)絡(luò)具有特別顯著的優(yōu)點(diǎn)；利用ZIGBEE技術(shù)優(yōu)勢(shì)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可以依據(jù)區(qū)域布置不同的匯接點(diǎn)，這個(gè)匯接點(diǎn)就是ZIGBEE的中心節(jié)點(diǎn)；遠(yuǎn)程治理中心通過(guò)GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效掌握和治理。系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程掌握網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍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(gè)網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò)，在樓道設(shè)置適宜的路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)展數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)；房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)承受星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個(gè)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)；全部的ZIGBEE路由器組成一個(gè)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)置在治理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)通信特別牢靠的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。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)采集三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍3、智能交通掌握系統(tǒng)圖一無(wú)線交通信號(hào)掌握?qǐng)D二Zigbee遠(yuǎn)程交通掌握三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍系統(tǒng)概述承受ZIGBEE和太陽(yáng)能結(jié)合的無(wú)線掌握系統(tǒng)，無(wú)須挖路布設(shè)掌握線路，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)連接，既降低了系統(tǒng)安裝本錢(qián)，更重要的是避開(kāi)了傳統(tǒng)安裝方式對(duì)交通干擾所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，而且也避開(kāi)了由于城市快速進(jìn)展，道路拓展等變化對(duì)原有預(yù)埋管線的干擾。系統(tǒng)應(yīng)用路口交通信號(hào)燈掌握遠(yuǎn)程交通信號(hào)掌握道路信息采集不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍4、無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)系統(tǒng)概述餐廳ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在餐廳、吧臺(tái)、廚房、收銀臺(tái)、處理中心部署的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成了完整的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息處理的自動(dòng)化；內(nèi)置無(wú)線ZIGBEE