ZigBee 的技術(shù)特點(diǎn)和性能

ZigBee技術(shù)被認(rèn)為是最有可能像WiFi、藍(lán)牙一樣改變我們現(xiàn)在生活的通信技術(shù)之一.ZigBee是讓一些設(shè)備特別是傳感器接入互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。

在家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域，對(duì)無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈,且這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。

Zigbee的特點(diǎn)就在于功耗更低，實(shí)時(shí)在線、同一個(gè)網(wǎng)關(guān)接入數(shù)量巨大并且可以自組網(wǎng), 在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用空間。

Zigbee技術(shù)

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、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。

它是基于IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，功耗低，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無線方式。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。

ZigBee 的技術(shù)特點(diǎn)和性能

ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（歐洲流行)和915 MHz（美國(guó)流行)3個(gè)頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。

作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn):

1. 低功耗

   由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。

2. 成本低

   ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

3. 低復(fù)雜性

   zigbee協(xié)議的大小一般在4-32KB，而藍(lán)牙和wi-fi一般都超過100KB。

4. 時(shí)延短:

   通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。

5. 網(wǎng)絡(luò)容量大

   一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備, 一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。 并且在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可以有65000個(gè)節(jié)點(diǎn)連接。

6. 網(wǎng)絡(luò)建立

   zigbee能夠自動(dòng)建立其所想要的網(wǎng)絡(luò)。

7. 可靠

   采取了碰撞避免策略,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,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

8. 安全

   ZigBee提供了基于循環(huán)沉余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證, 采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

Zigbee的技術(shù)性能

1、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率

ZigBee 無線可使用的頻段有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。

2、短程無線網(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，與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近；ZigBee 無線技術(shù)適合組建WPAN 網(wǎng)絡(luò)，就是無線個(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。它的應(yīng)用定位就是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。

3、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較

ZigBee 無線的傳輸帶寬在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，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)；特有的低功耗設(shè)計(jì)，可以保證電池工作很長(zhǎng)時(shí)間。

4、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。

5、Zigbee協(xié)議棧

ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，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，利于了產(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。

6、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。

7、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

7.1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。

7.2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

7.3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。

8、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)（Direct Sequence / Frequency Agility），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)。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)源來的影響的能力；

實(shí)驗(yàn)證明IEEE 802.15.4/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，WLAN的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)。

9、ZigBee可靠鏈路

9.1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) Freqency agility

9.2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 Packet data freshness

9.3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。

9.4網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)

ZigBee的自組織功能：無需人工干預(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。ZigBee技術(shù)在通信協(xié)議上的可靠設(shè)計(jì)，保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和通信可靠性。