ZigBee基本技術(shù)淺談與解析

1基本概念篇

Q1-1 ZigBee起源什么技術(shù)？

A：在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，……而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長(zhǎng)期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。

Q1-2：什么是ZigBee？

A： 首先ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來(lái)形象地描述這種無(wú)線信息傳輸技術(shù)。

Q1-3：ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)？

A： ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1） 低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時(shí)；

（2） 低成本：通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議是成本很低（不足藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)；

（3） 低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(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發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)；

（5） 短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10 s、WiFi需要3s；

（6） 高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；

（7） 高安全：ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性；

（8） 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz（全球）頻段。

Q1-4：為什么說(shuō)ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸日益增長(zhǎng)的需求而產(chǎn)生的？

A： ZigBee技術(shù)本身，就是因?yàn)樘m牙技術(shù)不能滿足工業(yè)自動(dòng)化中，對(duì)低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性的無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因?yàn)椋瑢?duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。ZigBee 技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻的方式。就是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)的這種需要。

2通信技術(shù)篇

Q2-1： ZigBee使用那種協(xié)議？

A： IEEE 802.15.4協(xié)議，這是一種低傳送速率的無(wú)限PAN的協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

Q2-2：為什么ZigBee無(wú)線通信使用2，4G頻段是免費(fèi)頻段？

A：在我國(guó)和世界上大多數(shù)其他國(guó)家，一般使用無(wú)線電設(shè)備都是要付頻率使用費(fèi)的，包括手機(jī)通信，只不過移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)向國(guó)家支付了這筆費(fèi)用，并通過號(hào)碼占用費(fèi)等方式向用戶收取了這筆費(fèi)用。在使用其它無(wú)線設(shè)備時(shí)，你首先要向國(guó)家相關(guān)部門申請(qǐng)頻率使用許可，然后根據(jù)你的無(wú)線設(shè)備所使用的頻率，功率大小和數(shù)量收取費(fèi)用。這是一筆不小的費(fèi)用，一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費(fèi)用。而免費(fèi)頻段，是指各個(gè)國(guó)家根據(jù)各自的實(shí)際情況，并考慮盡可能與世界其他國(guó)家規(guī)定的一致性，而劃分出來(lái)的一個(gè)頻段，專門用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用（ISM頻段），不需申請(qǐng)而可以免費(fèi)使用的頻段。我們國(guó)家的2.4G頻段，就是這樣一個(gè)頻段。然而，為了保證大家都可以合理使用，國(guó)家對(duì)該頻段內(nèi)的無(wú)線收發(fā)設(shè)備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過 100mW。