ZigBee通信技術(shù)特點(diǎn)和性能及其典型應(yīng)用的詳細(xì)概述

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(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,且這種無(wú)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(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的?？梢哉f(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。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。

它是基于IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)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(wú)線方式。Zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)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(wú)限擴(kuò)展。

ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)和性能

ZigBee是一種無(wú)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(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn):

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(wú)線設(shè)備望塵莫及的。

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。

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(guò)100KB。

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(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。

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。

網(wǎng)絡(luò)建立

zigbee能夠自動(dòng)建立其所想要的網(wǎng)絡(luò)。

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(kāi)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(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。

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(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)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(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(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(wú)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(shù)型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來(lái)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(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)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(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。

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(lái)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(kāi)從一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源來(lái)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)Freqencyagility

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(wèn)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(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(wú)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。

ZigBee聯(lián)盟

ZigBee聯(lián)盟成立于2001 年8 月。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國(guó)際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有百余家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、IP 服務(wù)提供商、消費(fèi)類電子廠商及OEM 商等，例如Honeywell、Eaton 和InvensysMeteringSystems 等工業(yè)控制和家用自動(dòng)化公司，甚至還有像Mattel 之類的玩具公司。

所有這些公司都參加了負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)ZigBee 物理和媒體控制層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.15.4 工作組。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡(luò)、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域，對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求與民用場(chǎng)合有很大區(qū)別。它通常對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低，功率消耗要低。

此外，簡(jiǎn)單方便、可以隨意使用的無(wú)線裝置大量涌現(xiàn)，需要布置大量的無(wú)線接入點(diǎn)，而低廉的價(jià)格將起著關(guān)鍵作用。所以ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)要解決的問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)維持最小流量的通信鏈路和低復(fù)雜度的無(wú)線收發(fā)信機(jī)。要考慮的核心問(wèn)題是低功耗和低價(jià)格的設(shè)計(jì)，這就要求該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供低帶寬、低數(shù)據(jù)傳輸率的應(yīng)用。

IEEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟(ZigBeeAlliance)共同制定了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)正在發(fā)展中的低成本、低功耗、低功率的短距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，它是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。

IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制定物理層(PHY)和媒體接人控制(MAc)層規(guī)范，于2003年5月通過(guò)了IEEE802.15、4標(biāo)準(zhǔn);ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)全球企業(yè)聯(lián)盟，旨在合作實(shí)現(xiàn)基于全球開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)、可靠、低成本、低功耗的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控產(chǎn)品，它由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、philips與Invensys共同成立，主要負(fù)責(zé)制定網(wǎng)絡(luò)層、安全管理及應(yīng)用界面規(guī)范，于2004年12月通過(guò)了 1.0版規(guī)范。

Zigbee技術(shù)應(yīng)用

1、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型

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)

間斷性數(shù)據(jù)

工業(yè)控制命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家用電器控制

反復(fù)性低反應(yīng)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)

2、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合

設(shè)備成本低、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)有充足的電源支持，只能使用一次性電池。需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制的環(huán)境。

3、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用

3.1結(jié)合Zigbee和GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

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)采用 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，減少了傳感器節(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)，改變了傳統(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)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

遠(yuǎn)程管理中心通過(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)的有效控制和管理。

3.2醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

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)置合適的路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(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)。所有的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)置在管理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.3無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng)

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；服務(wù)員通過(guò)手持的點(diǎn)餐終端處理顧客的點(diǎn)單，用戶訂單通過(guò)終端和大廳內(nèi)的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)的上傳到廚房和收銀臺(tái)，無(wú)線通信系統(tǒng)的ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)、無(wú)線ZIGBEE路由和無(wú)線點(diǎn)餐終端，夠構(gòu)成一個(gè) 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信。

其中任何一個(gè)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)；所有的ZIGBEE路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，與ZIGBEE中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在總服務(wù)臺(tái)，構(gòu)建成一個(gè)完整的ZIGBEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3.4智能交通控制系統(tǒng)

采用ZIGBEE和太陽(yáng)能結(jié)合的無(wú)線控制系統(tǒng)，無(wú)須挖路布設(shè)控制線路，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)安裝成本，更重要的是避免了傳統(tǒng)安裝方式對(duì)交通干 擾所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，而且也避免了由于城市快速發(fā)展，道路拓展等變化對(duì)原有預(yù)埋管線的干擾。

隨著ZigBee技術(shù)的不斷完善，它將成為當(dāng)今世界最前沿的數(shù)字化無(wú)線技術(shù)。ZigBee所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等顯著優(yōu)勢(shì)，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBec聯(lián)盟預(yù)言在未來(lái)的四到五年內(nèi)，每個(gè)家庭將擁有50個(gè)ZigBee器件，最后將達(dá)到每個(gè)家庭150個(gè)。相信在不久的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多的具有ZigBee功能的產(chǎn)品進(jìn)人我們的生活，為我們的生活和工作帶來(lái)極大的方便和快捷。