Zigbee无线通信技术
Zigbee 无线通信技术
摘要：ZigBee 是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee 技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee 是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee 协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定
关键词：ZigBee 技术特性 标准 协议 应用 系统
引言
ZigBee 作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee 功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。
一、 Zigbee 技术简介
什么是Zigbee ？
Zigbee 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag 形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。ZigBee 联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司
以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee 联盟，这一事件成为ZigBee 技术的里程碑。到目前为止，加盟ZigBee 联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了IT 领域以及其它行业的150多家企业。
ZigBee 技术特点
ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术；
ZigBee 采取了IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用层；
ZigBee 的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；
二、Zigbee 技术特性和性能分析
1. ZigBee 频带和数据传输率
ZigBee 无线可使用的频段有3 个，分别是2.4GHz 的ISM 频段、欧洲的868MHz 频段、以及美国的915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是16 、1 、10 个；
ZigBee 在中国采用2.4G 的ISM 频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G 的频段上具有16 个信道，带宽为250K 。
2. 短程无线网络标准
ZigBee 和802.15.4 标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K ，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；
ZigBee 无线技术适合组建WPAN 网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。
ZigBee 技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。
3. 无线网络标准的比较
ZigBee 无线的传输带宽在20-250KB/s 范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；
ZigBee 无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535 个，具有非常强大的组网优势；
ZigBee 技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。
4.zigbee 技术优势
①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月, 甚至更长。这是Zigbee 的突出优势。相比较, 蓝牙能工作数周、WiFi 可工作数小时。
②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) , 降低了对通信控制器的要求, 按预测分析, 以8051的8位微控制器测算, 全功能的主节点需要32KB 代码, 子功能节点少至4KB 代码, 而且Zigbee 免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。
③低速率。Zigbee 工作在20～250 kbps 的较低速率, 分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz) 和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率, 满足低速率传输数据的应用需求。
④近距离。传输范围一般介于10～100 m 之间, 在增加RF 发射功率后, 亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力, 传输距离将可以更远。
⑤短时延。Zigbee 的响应速度较快, 一般从睡眠转入工作状态只需15 ms , 节点连接进入网络只需30 ms , 进一步节省了电能。相比较, 蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构, 由一个主节点管理若干子节点, 最多一个主节点可管理254 个子节点; 同时主节点还可由上一层网络节点管理, 最多可组成65000 个节点的大网。
⑦高安全。Zigbee 提供了三级安全模式, 包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码, 以灵活确定其安全属性。
⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。
5.Zigbee 物理信道
ZigBee 在2.4G 的频段上具有16 个信道，从2.405GHz — 2.480GHz 间分布，信道间隔是5M ，具有很强的信道抗串扰能力。
6. Zigbee协议栈
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ZigBee 采取了IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点
ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品的互连互通；
ZigBee 继续与IEEE
紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成
解决方案。
7. ZigBee 网络拓扑结构
ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH 网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；
MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；
星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。
8.ZigBee 网络设备类型
网络协调器：
包括所有的网络消息，是3 种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算机能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。
全功能设备（FFD ）：
可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD 或是RFD 连结，FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
附带由标准指定的全部802.15.4 功能和所有特征
更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。
也可能做终端设备
精简功能设备（RFD ）：
RFD 只能传送信息给FFD 或从FFD 接收信息。
附带有限的功能来控制成本和复杂性
在网络中通常用作终端设备。
ZigBee 相对简单的实现自然节省了费用。RFD 由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee 部件成本，而简单的8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。
9. Zigbee抗干扰能力
ZigBee 在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA 技术（Direct Sequence / Frequency Agility）；
ZigBee 的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强； ZigBee 具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；
•
实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码率，特别是在信噪比为4dB 的情况
下可达到10 -9 ；达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达16dB ，802.11b 要达10dB ，Zigbee 的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN 技术。
10.ZigBee 可靠链路
物理层RF 通信链路
直序扩频采用高处理增益
明晰的信道检测
对干扰能量进行检测
采用跳频技术Freqency agility
协议
基于CRC 的误码检测/校正
采取了避免冲突的策略CSMA/CA
为固定带宽的通信业务预留了专业的有保证的时隙
发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发
保持数据包的及时传输Packet data freshness
通信可靠机制
ZigBee 采用了CSMA-CA 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据使得竞争和冲突；明晰的信道检测；
MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接受方的确认信息。
网络的自组织、自愈能力强
ZigBee 的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
ZigBee 自愈功能：增加或删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
ZigBee 技术RF 物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性；
ZigBee 技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。
三、Zigbee 技术应用范围
1. 适合ZigBee 传输的数据类型
周期性数据：
传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据
间断性数据:
工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制
反复性低反应时间数据:
如鼠标键盘数据、操作杆的数据
2. 适合ZigBee 技术的应用场合
设备成本低、传输数据量小
设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块
没有充足的电源支持，只能使用一次性电池
需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制
3.Zigbee 技术典型应用
1、结合Zigbee 和GPRS 的无线数据传输
系统概述
利用GPRS 网络传输基于Zigbee 无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星型或MESH 网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee 模块的通信方式，有效降低了每Zigbee 传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率，并利用GPRS 网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，使网络具有非常显著的优点；
利用ZIGBEE 技术优势组建无线传感器网络数据传输网，并可以按照区域布置不同的汇接点，这个汇接点就是ZIGBEE 的中心节点；
远程管理中心通过GPRS 等公共信道与ZIGBEE 网络实现远程通信，通过GPRS 网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。 系统应用
无线传感器网络WSN
远程数据采集
远程控制网络
远程监测监控系统
远程集抄系统
2、 医疗监控系统
系统概述
利用ZIGBEE 技术组成一个网状路由网络，在楼道设置合适的路由节点，进行数据的中转；
房间内的呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为ZIGBEE 路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；
所有的ZIGBEE 路由器组成一个蜂窝网状网络，再与ZIGBEE 中心节点连接，中心节点设置在管理中心，构建成一个完整的ZIGBEE 无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。
系统应用
医院医疗监护
医疗仪器数据采集
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• 3. 智能交通控制系统
系统概述
采用ZIGBEE 和太阳能结合的无线控制系统，无须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，而且也避免了由于城市快速发展，道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。
系统应用
路口交通信号灯控制
远程交通信号控制
道路信息采集
停车收费系统
• 4、无线点餐系统
系统概述
餐厅ZigBee 无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处
理中心部署的ZigBee
节点设备构成了完整的无线通讯网络，实现了信息处理的自动化；
内置无线ZIGBEE 通信模块的手持点餐终端，服务员通过手持的点餐终端处理顾客的点单，用户订单通过终端和大厅内的ZigBee 网络自动的上传到厨房和收银台
无线通信系统的ZIGBEE 中心节点、无线ZIGBEE
路由和无线点餐
终端，够构成一个蜂窝状的通信网络，任何一个节点以多调方式实现通信。其中任何一个ZIGBEE 路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；
所有的ZIGBEE 路由器组成一个蜂窝网状网络，再与ZIGBEE 中心
节点连接，中心节点设置在总服务台，构建成一个完整的ZIGBEE 无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。
系统应用
餐厅无线点餐系统
茶楼、咖啡馆、网吧、KTV 娱乐场所呼叫系统
四、 小结
ZigBee 作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee 功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。
从802.15.4到ZigBee 不难发现，这些标准的目的，就是希望以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和RF 遥控等领域。传递少量信息，例如：控制（Control ）或是事件（Event ）的资料传递，都是ZigBee 容易发挥的战场。
参考资料： ∙
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∙ IPv6 6Lowpan标准规范 ．IETF IPv6 RoLL RPL低功耗路由协议 ．IETF] CoAP 应用层规范 ．IETF IPv6 6Lowpan相关RFC 标准 ．物联网开发论坛 IPSO 组织发布的IPv6 6Lowpan相关白皮书 ．物联网开发论坛 Contiki 系统 ．百度百科 zigbee 联盟简介 ．电子发烧友 Spansion 加入ZigBee 联盟加速物联网普及 ．eepw 新ZigBee 协议亮相提升物联网设备能效 ．网易 ZigBee 新标准通过认证 ．通信世界网