1/1剖析zigbee技術(shù)Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。依據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛行和“嗡嗡”(zig)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)。其特點是近距離、低簡單度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動掌握和遠(yuǎn)程掌握領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

簡而言之，ZigBee就是一種廉價的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

Zigbee的起源

Zigbee在中國被譯為"紫蜂",它與藍(lán)牙相類似.是一種新興的短距離無線技術(shù)用于傳感掌握應(yīng)用(sensorandcontrol).此想法在IEEE802.15工作組中提出,于是成立了TG4工作組,并制定規(guī)范IEEE802.15.4.2023年,zigbeeAlliance成立.2023年,zigbeeV1.0誕生.它是zigbee的第一個規(guī)范.但由于推出倉促存在一些錯誤.2023年,推出zigbee2023,比較完善.2023年底,zigbeePRO推出。zigbee的底層技術(shù)基于IEEE802.15.4.

物理層和MAC層直接引用了IEEE802.15.4在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)覺藍(lán)牙技術(shù)盡管有很多優(yōu)點，但仍存在很多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化掌握和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太簡單，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化掌握工程網(wǎng)版權(quán)全部，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越劇烈，而且掌握工程網(wǎng)版權(quán)全部，對于工業(yè)現(xiàn)場掌握工程網(wǎng)版權(quán)全部，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高牢靠的，并能反抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，Zigbee協(xié)議在2023年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所討論過的面對家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議HomeRFLite。

長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場始終存在著。自從Bluetooth消失以后，曾讓工業(yè)掌握、家用自動掌握、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價始終居高不下，嚴(yán)峻影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參與了IEEE802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定ZigBee的物理層和媒體介入掌握層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術(shù)掌握工程網(wǎng)版權(quán)全部，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。它是ZigBee應(yīng)用屋和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的基礎(chǔ)。ZigBee是一種新興的近距離、低簡單度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)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(shù)據(jù)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無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)描述

簡潔的說，Zigbee是一種高牢靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。

Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化掌握數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必需具有簡潔，使用便利，工作牢靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號掩蓋的范圍內(nèi)，和多個不擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。

Zigbee采納的自組織網(wǎng)通信方式

zigbee技術(shù)所采納的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個簡潔的例子就可以說明這個問題，當(dāng)一隊傘兵空降后CONTROLENGINEERINGChina版權(quán)全部，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動查找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且掌握工程網(wǎng)版權(quán)全部，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新查找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。

ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？

網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種緣由往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能由于車禍，道路修理等，使得某條道路的交通消失臨時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當(dāng)于我們的掌握數(shù)據(jù)）仍舊可以通過其他道路到達(dá)目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場掌握而言則特別重要。

為什么自組織網(wǎng)要采納動態(tài)路由的方式？

所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時可利用的全部路徑進(jìn)行搜尋，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點的通路進(jìn)行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種緣由路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進(jìn)行準(zhǔn)時傳送。動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的牢靠傳輸。

Zigbee自身的技術(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)點工作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。

現(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點。該節(jié)點采納Micropelt公司的熱電發(fā)電機(jī)給TI公司的Zigbee供應(yīng)電源。

②低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對通信掌握器的要求,按猜測分析,以8051的8位微掌握器測算,全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。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,分別供應(yīng)250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿意低速率傳輸數(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)點間的距離。假如通過路由和節(jié)點間通信的接力,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)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)約了電能。相比較,藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。

⑥高容量。Zigbee可采納星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

⑦高平安。Zigbee供應(yīng)了三級平安模式,包括無平安設(shè)定、使用接入掌握清單(ACL)防止非法獵取數(shù)據(jù)以及采納高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼,以敏捷確定其平安屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。采納直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。

Zigbee的頻帶

1)868MHZ傳輸速率為20KB/S適用于歐洲

2)915MHZ傳輸速率為40KB/S適用于美國

3)2.4GHZ傳輸速率為250KB/S全球通用

由于此三個頻帶物理層并不相同,其各自信道帶寬也不同,分別為

0.6MHZ,2MHZ和5MHZ.分別有1個10個和16個信道.

不同頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式有區(qū)分.雖然都使用了直接擴(kuò)頻(DSSS)的方式,但從比特到碼片的變換方式有較大的差別.

調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù),但868MHZ和915MHZ頻段采納的是BPSK而2.4GHZ頻段采納的是OQPSK在放射功率為0dBm的狀況下,BLUETOOTH通常能用10M的作用范圍.

而基于IEEE802.15.4的zigbee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米作用距離,在室外假如障礙物少,甚至可以達(dá)到100米作用距離.

所以zigbee可歸為低速率的短距離無線通信技術(shù).

Zigbee性能分析

1.數(shù)據(jù)速率比較低

在2.4GHZ的頻段只有250KB/S,而且只是鏈路上的速率,除掉信道競爭應(yīng)答和重傳等消耗,真正能被應(yīng)用所利用的速率可能不足100KB/S,并且余下的速率可能要被鄰近多個節(jié)點和同一個節(jié)點的多個應(yīng)用所瓜分.因此不適合做視頻之類事情.

適合的應(yīng)用領(lǐng)域－－－－－－－－傳感和掌握

2.牢靠性在牢靠性方面,zigbee有許多方面進(jìn)行保證.物理層采納了擴(kuò)頻技術(shù),能夠在肯定程度上反抗干擾MAC應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能.

MAC層的CSMA機(jī)制使節(jié)點發(fā)送前先監(jiān)聽信道,可以起到避開干擾的作用.

當(dāng)zigbee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾,無法正常工作時,整個網(wǎng)絡(luò)可以動態(tài)的切換到另一個工作信道上.

3.時延由于zigbee采納隨機(jī)接入MAC層,且不支持時分復(fù)用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些實時的業(yè)務(wù).

4.能耗特性能耗