低功耗ZigBee技術概要

低功耗ZigBee模塊爭論匯報人：張聶日期：2023/11/9E211主要內容ZigBee技術特點

ZigBee與其他無線通信技術的比較ZigBee節(jié)點能耗分析ZigBee網絡低功耗爭論五二三四E211ZigBee的定義和現狀

一ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率特別高。ZigBee的根底是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人局域網〔PAN，PersonalAreaNetwork)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準。一ZigBee的定義和進展定義進展2023年ZigBee聯(lián)盟選擇德國萊茵TUV集團作為唯一的全世界無線試驗室測試ZigBee技術產品的代表，在世界各地供給ZigBee聯(lián)盟認可的商標認證和全都性平臺測試效勞。2023年4月，ZigBee聯(lián)盟正式推出了ZigBeeLightLink,該ZigBee應用標準特地為照明應用而設計，定義了一種先進的燈控應用信息傳遞協(xié)議，同時納入了一種簡潔的配置機制，使消費者能夠開箱即用，極大的推動了智能家居的進展。目前我國ZigBee技術的產業(yè)鏈已經根本成型。芯片達批量生產階段,Chipcon、Freescale等公司紛紛推出ZigBee解決方案,其中Atmel與Chipcon已開發(fā)出ZigBee單芯片，二者都是選用全球通用的2.4GHz頻道，其他廠商如Ember搭配Atmel及NEC搭配Chipcon芯片，已完成開發(fā)套件，能夠供給系統(tǒng)廠商整合方案。目前企業(yè)正樂觀開發(fā)四大ZigBee應用市場，分別為家庭與樓宇自動化、消費電子、自動讀表與其他方面，包括工業(yè)自動化、監(jiān)控檢測、醫(yī)療、幼兒監(jiān)護、物流管控、低溫連鎖治理與農業(yè)監(jiān)控等。1.低功耗這是ZigBee技術最重要的特點。由于ZigBee的傳輸速率相對較低,放射功率較小,使得ZigBee設備很省電,這是ZigBee技術能夠廣泛應用的基石。2.低本錢由于ZigBee芯片是基于8051單片機內核的,每片芯片的本錢約為2美元,且ZigBee網絡協(xié)議免費供給,,使用戶縮短了開發(fā)周期,降低了開發(fā)本錢。3.時延短ZigBee針對時延要求短的應用進展了優(yōu)化,一般搜尋設備的時延低于30ms,節(jié)點從休眠模式中激活的時延小于15ms,信道的接入時延小于15ns4.網絡容量大ZigBee網絡可以選用三種不同的拓撲構造,分別是:星型、樹型和網狀網。ZigBee網絡最多可以構成65000個節(jié)點的網絡。5.工作頻段敏捷ZigBee有三個相距較大的ISM頻段,分別是2.4GHz頻段、915MHz頻段和868MHz頻段。6.低速率ZigBee技術專注于低速率的應用,三個頻段中最高數據傳輸速率也只有250Kb/s。二ZigBee技術特點

7.安全的數據傳輸ZigBee支持三種安全模式,可釆用高級加密標準(AES)的對稱密碼和公開密鑰,為數據傳輸安全供給了保障。ZigBee技術與Bluetooth的比較。與ZigBee技術一樣,藍牙也承受全世界通用的2.4GHzISM頻段,隨著手機、平板等移動設備的普及,藍牙技術也得到了快速的進展。但藍牙的傳輸距離一般在10m以內,且一個主設備最多只能與7個從設備進展通信,這極大的限制了藍牙技術的適用環(huán)境。而ZigBee技術以其較遠的傳輸距離和多級路由組網的技術使整個網絡得到延長,抑制了藍牙信號傳輸距離過短的缺點。而且ZigBee協(xié)議的簡單程度遠遠低于藍牙協(xié)議,ZigBee芯片本錢也更低廉,使ZigBee產品的生產和開發(fā)本錢得到了很好的掌握。因此,ZigBee技術在無線傳感器網絡應用方面更適合于藍牙技術。三ZigBee與其他無線通信技術的比較ZigBee技術與Wi-Fi的比較。Wi-Fi可以將個人電腦、手機、平板等終端設備以無線方式相互連接到一起,其傳輸速率可到達54Mb/s,掩蓋的半徑也能到達100米,有效的解決了用戶最終100米的通信需求。但與此同時帶來的是較高的功耗,所以Wi-Fi設備一般要求接通電源或者帶有容量較大的電池,這限制了其在工業(yè)領域的推廣。而低功耗正是ZigBee技術最重要的特點,多種電源治理模式使ZigBee設備特別省電,為其在大規(guī)模無線網絡里面的應用供給了可能。ZigBee與NFC的比較。NFC是非接觸式射頻識別(RFID)演化而來的,由諾基亞、飛利浦和索尼共同研發(fā)。它是一種高頻的短距離無線電技術,以其超低的功耗和較高的保密性,被廣泛的應用到了手機等移動消費產品中。但與ZigBee技術相比,其一對一通信的特點和超近的適用距離不適合無線傳感器網絡。ZigBee與UWB的比較。UWB無線通信技術是一種不用載波,而承受脈沖進展通信的技術,其能在較寬的頻譜上傳輸極低功率的信號,且傳輸速率在10米內速率可到達數百Mb/s甚至數Gb/s。UWB早期被用于近距離高速數據傳輸,近年來開頭利用其亞納秒超級脈沖做室內的準確定位。但其較高的功耗和硬件本錢不適合于無線傳感器網絡,可以與ZigBee技術互補合作,組成共同的網絡,進展無線監(jiān)控。在IC工藝得到很大提升的今日,處理器芯片和傳感器芯片的功耗已經特別低了,傳感器的主要能耗集中在無線通信上面。與一般傳感器網絡一樣,在ZigBee網絡中,能耗也主要集中在處理器和通信模塊，如下圖：四ZigBee節(jié)點能耗分析所以在進展低功耗設計時,應重點考慮處理器和通信模塊的低功耗硬件設計,盡量削減節(jié)點的通信次數,降低每次通信時產生的功耗,在節(jié)點進入空閑時準時進入休眠,使節(jié)點的功耗降到最低。五ZigBee網絡低功耗爭論元器件選型進展低功耗硬件設計時,應首先通過選擇低功耗的芯片來降低節(jié)點能耗。TI公司供給的CC2530片上系統(tǒng)解決方案,CC2530芯片使用的是8051CPU內核,工作電壓為2-3.6V。與上一代SOC芯片CC2430相比,CC2530芯片封裝更小,具備最大256KB閃存,外圍電路簡潔,具有電源治理功能,能夠工作在不同的供電模式下,實現低功耗設計要求。此外,CC2530還改進了RF性能,具有良好的抗干擾力量且CC2530使用的ZigBee2023/PRO協(xié)議棧是TI公司免費開放使用的,使軟件開發(fā)本錢得到降低。選用低功耗的穩(wěn)壓芯片,HT7333-A是用CMOS技術開發(fā)的穩(wěn)壓芯片,具有壓差低、輸出電壓穩(wěn)定、超低功耗等特點。工作電流為1mA時壓差僅為5mV,加以最大工作電壓時,無負載工作電流僅為2.5uA。ZigBee節(jié)點模塊化設計節(jié)點在整個網絡中的職責是對數據進展采集、處理和發(fā)送,在對其進展設計時應從以下幾點進展考慮：(1)低功耗。節(jié)點一般由電池供電,所擁有的能量有限,能耗過高會使節(jié)點的能量很快用完而使整個系統(tǒng)的壽命變短，所以功耗問題是首先考慮的重點問題。(2)低本錢。在將ZigBee技術應用到傳感器網絡等商業(yè)工程中時,由于節(jié)點分布范圍廣,數量巨大,節(jié)點的本錢問題也成了必需考慮的一個重要問題。(3)微型化。節(jié)點的體積應當盡量的小,微型化的節(jié)點不但功耗低而且在進展擴開放發(fā)時能適用更多的場合。(4)可擴展性。不同的場合,節(jié)點的任務不同,使節(jié)點具有很好的擴展性能夠便利開發(fā)者進展擴展,節(jié)省開發(fā)時間和本錢。硬件設計低功耗從元器件選型和最重要的ZigBee模塊兩個方面對節(jié)點硬件低功耗進展設計。ZigBee節(jié)點硬件構造如圖:五ZigBee網絡低功耗爭論低功耗ZigBee節(jié)點軟件設計軟件的低功耗設計是節(jié)點低功耗設計的重要組成局部,從以下幾個方面進展軟件的低功耗設計:(1)合理的優(yōu)化代碼。對代碼進展合理的優(yōu)化能夠降低代碼運算和空間簡單度。承受適宜數據類型,如盡量少使用32位數據類型,使用有符號整形變量等,都能夠降低代碼的平均功耗。(2)適當的削減通信流量。削減通信流量的方法有:①對本地數據進展處理,推斷錯誤的數據信息并丟棄,削減通信量;②對數據包進展壓縮,削減無用的信息③盡量避開通信堵塞沖突的產生,通信堵塞會引起數據重傳,加大節(jié)點功耗,嚴峻的話會引起網絡通信量過大而癱瘓。(3)選擇適宜的睡眠模式和時間。節(jié)點通信模塊的能耗與其選擇的工作模式有關,從之前的分析可以看出,節(jié)點在進展通信時能耗最高,而進入睡眠眠模式時能耗最低,所以在節(jié)點進入空閑時準時的進入睡眠能有效的降低節(jié)點功耗。(4)選擇合理的發(fā)送功率。在網絡分布比較密集的狀況下,通過獵取節(jié)點間的通信質量來選擇合理的發(fā)送功率,使節(jié)點的功耗進一步降低。Zigbee協(xié)議組網 在zigbee網絡中，不同的節(jié)點有不同的分工，依據其工作特性，可以分為以下幾類： 1〕協(xié)調者：它是一個FFD節(jié)點，負責整個網絡的治理工作。每個網絡中有只有一個協(xié)調者。它具有以下幾個功能：選擇所用網絡的信道；從協(xié)調者開頭，啟動網絡；分派網絡地址；允許其他設備參加或者退出其網絡；保存鄰接表和路由信息；傳輸應用數據包； 2〕路由節(jié)點〔rooter〕：它是一個FFD節(jié)點，一般被應用于樹形或者Mesh拓撲構造中擴大網絡掩蓋量。它用于去找到從源點到終點的一條最正確路徑來傳輸信息。路由節(jié)點除了不能建立網絡之外，和協(xié)調者相比較類似。 3〕終端設備〔Enddivice〕：它是一個RFD節(jié)點，被用于連接到路由節(jié)點或者協(xié)調者。終端節(jié)點完成以下2個任務：參加或者離開網絡；傳輸應用數據包； 4〕Zigbee信任中心〔ZigBeetrustcentre〕：它供給安全治理、安全密鑰安排和設備認證。 5〕網關〔ZigbeeGateway〕：連接zigbee網絡和其他網絡，例如局域網。Zigbee開發(fā)環(huán)境一般選擇破解版的IAREmbeddedWorkbenchforMCS-517.51A作為Zigbee開發(fā)的IDE。以及安裝Ti的Zigbee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議?；跇藴实腛SI(OpenSystemInterconnection)七層模型，但只是在相關的范圍來定義一些相應層來完成特定的任務。IEEE802．15．4—2023標準定義了下面的兩個層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯(lián)盟在此根底上建立了網絡層(NWK層)以及應用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應用支持子層(ApplicationSupportSub—layer，APS)、ZigBee的設備對象(ZigBeeDevice0bjects。ZD0)以及制造商定義的應用對象。Zigbee與其他無線網絡標準的比較IEEE802.15.4包括物理層和MAC層兩局部。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不一樣，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz,2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調制方式也有所區(qū)分，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差異;調制方面都使用了調相技術，但868MHz和915MHz頻段承受的是BPSK，而2.4GHz頻段承受的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看放射機基帶局部的框圖(如圖1)，可以看到物理層局部特別簡潔，而IEEE802.15.4芯片的低價格正是得益于底層的簡潔性?？赡芪覀儠鷳n它的性能，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE802.15.1以及WiFi/IEEE802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的狀況下，IEEE802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴頻技術具有肯定的抗干擾效果，同時在其他條件一樣狀況下傳輸距離要大于跳頻技術。在放射功率為0dBm的狀況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內通常能到達30~50m作用距離，在室外假設障礙物較少，甚至可以到達10