最適合智能家居的無線技術——zigbee

1、<p>　　最適合智能家居的無線技術——ZigBee</p><p>　　[導讀]ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。</p><p>　　ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似

2、。是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。</p><p>　　Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“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

3、就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。</p><p>　　簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。</p><p><b>　　Zigbee的起源</b></p><p>　　Zigbee

4、, 在中國被譯為"紫蜂",它與藍牙相類似.是一種新興的短距離無線技術用于傳感控制應用(sensor and control).</p><p>　　此想法在IEEE 802.15工作組中提出,于是成立了TG4工作組,并制定規(guī)范IEEE 802.15.4.</p><p>　　2002年,zigbee Alliance成立.</p><p>　　2

5、004年,zigbee V1.0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.</p><p>　　2006年,推出zigbee 2006,比較完善.</p><p>　　2007年底,zigbee PRO推出。zigbee的底層技術基于 IEEE 802.15.4，物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4</p><p>　　在藍牙

6、技術的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化控制，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(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2003年正式問世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(wǎng)絡的通信協(xié)議Home RF

7、 Lite。</p><p>　　長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工業(yè)控制、家用自動控制、玩具制造商等業(yè)者雀躍不已，但是Bluetooth的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今，這些業(yè)者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(&

8、lt;250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術，用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡。它是ZigBee應用屋和網(wǎng)絡層協(xié)議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準，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

9、到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。</p><p>　　Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡描述</p><p>　　簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。</p><p>　　Zigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組

10、成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。</p><p>　　Zigbee為工業(yè)控制而生，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，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)絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控

11、對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉任務的孤立的子節(jié)點(RFD) 無線連接。</p><p>　　Zigbee采用的自組織網(wǎng)通信方式</p><p>　　zigbee技術所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事?舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當

12、一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡，對原有網(wǎng)絡進行刷新。這就是自組織網(wǎng)。</p><p>　　ZigBee技術為什么要使用自組織網(wǎng)來通信?</p><p>

13、;　　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，由于各種原因，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，可能因為車禍，道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛(相當于我們的控制數(shù)據(jù))仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。</p><p>　　為什么自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式?</p><p>　　

14、所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A先設定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡管理軟件中，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行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙

15、不能進行及時傳送。動態(tài)路由結合網(wǎng)狀拓撲結構，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。</p><p>　　Zigbee自身的技術優(yōu)勢</p><p>　?、俚凸?。在低耗電待機模式下,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, 藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時 。</p><p>　　現(xiàn)在，TI公司和

16、德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點。該節(jié)點采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機給TI公司的Zigbee提供電源。</p><p>　?、诘统杀?。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,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。</p&g

17、t;<p>　?、?低速率。Zigbee工作在20～250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。</p><p>　　④近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間

18、通信的接力,傳輸距離將可以更遠。</p><p>　?、荻虝r延。Zigbee 的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。</p><p>　?、薷呷萘?。Zigbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構,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

19、還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理,最多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。</p><p>　　⑦高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。</p><p>　　⑧免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz

20、(美國) 和868 MHz(歐洲) 。</p><p><b>　　Zigbee的頻帶</b></p><p>　　1) 868MHZ 傳輸速率為20KB/S 適用于歐洲</p><p>　　2) 915MHZ 傳輸速率為40KB/S 適用于美國</p><p>　　3) 2.4GHZ 傳輸速率為250KB/S 全球通用

21、</p><p>　　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。</p><p>　　不同頻帶的擴頻和調(diào)制方式有區(qū)別，雖然都使用了直接擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有較大的差別。</p><p>　　調(diào)制方式都用了調(diào)相技術，但868MHZ和915MHZ頻段采用的是BPS

22、K而2.4GHZ頻段采用的是OQPSK在發(fā)射功率為0dBm的情況下，BLUETOOTH通常能用10M的作用范圍。</p><p>　　而基于IEEE 802.15.4的zigbee在室內(nèi)通常能達到30-50米作用距離,在室外如果障礙物少，甚至可以達到100米作用距離。</p><p>　　所以zigbee可歸為低速率的短距離無線通信技術。</p><p>　　Zig

23、bee性能分析</p><p><b>　　1.數(shù)據(jù)速率比較低</b></p><p>　　在2.4GHZ的頻段只有250KB/S,而且只是鏈路上的速率,除掉信道競爭應答和重傳等消耗,真正能被應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)點的多個應用所瓜分.因此不適合做視頻之類事情.</p><p>　　適

24、合的應用領域——傳感和控制</p><p>　　2.可靠性 在可靠性方面,zigbee有很多方面進行保證.物理層采用了擴頻技術,能夠在一定程度上抵抗干擾MAC應用層(APS部分)有應答重傳功能.</p><p>　　MAC層的CSMA機制使節(jié)點發(fā)送前先監(jiān)聽信道，可以起到避開干擾的作用。</p><p>　　當zigbee網(wǎng)絡受到外界干擾,無法正常工作時，整個網(wǎng)絡可以

25、動態(tài)的切換到另一個工作信道上。</p><p>　　3.時延 由于zigbee采用隨機接入MAC層，且不支持時分復用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些實時的業(yè)務。</p><p>　　4.能耗特性 能耗特性是zigbee的一個技術優(yōu)勢。</p><p>　　通常zigbee節(jié)點所承載的應用數(shù)據(jù)速率都比較低,在不需要通信時,節(jié)點可以進入很低功耗的休眠狀態(tài),此時能耗

26、可能只有正常工作狀態(tài)下的千分之一.由于一般情況下，休眠時間占總運行時間的大部分,有時正常工作的時間還不到百分之一，因此達到很高的節(jié)能效果。</p><p>　　5.組網(wǎng)和路由性——網(wǎng)絡層特性</p><p>　　zigbee大規(guī)模的組網(wǎng)能力：每個網(wǎng)絡60000個節(jié)點。</p><p>　　bluetooth：每個網(wǎng)絡8個節(jié)點。</p><p>

27、;　　因為zigbee底層采用了直擴技術，如果采用非信標模式,網(wǎng)絡可以擴展得很大，因為不需同步而且節(jié)點加入網(wǎng)絡和重新加入網(wǎng)絡的過程很快，一般可以做到 1秒以內(nèi),甚至更快.bluetooth通常需要3秒。在路由方面,zigbee支持可靠性很高的網(wǎng)狀網(wǎng)的路由，所以可以布置范圍很廣的網(wǎng)絡,并支持多播和廣播特性,能夠給豐富的應用帶來有力的支持。</p><p>　　Zigbee的應用前景</p><p

28、>　　Zigbee 并不是用來與藍牙或者其他已經(jīng)存在的標準競爭，它的目標定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足其需求的特定的市場，它有著廣闊的應用前景。Zigbee 聯(lián)盟預言在未來的四到五年，每個家庭將擁有50 個Zigbee 器件，最后將達到每個家庭150 個。據(jù)估計，到2007 年，Zigbee 市場價值將達到數(shù)億美元。其應用領域主要包括：</p><p>　　◆家庭和樓宇網(wǎng)絡：空調(diào)系統(tǒng)的溫度控制、照明的自動控制、

29、窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等;</p><p>　　◆工業(yè)控制：各種監(jiān)控器、傳感器的自動化控制;</p><p>　　◆商業(yè)：智慧型標簽等;</p><p>　　◆公共場所：煙霧探測器等;</p><p>　　◆農(nóng)業(yè)控制：收集各種土壤信息和氣候信息;</p><p>　　◆醫(yī)療：老人與行動不便者的

30、緊急呼叫器和醫(yī)療傳感器等。</p><p><b>　　ZigBee聯(lián)盟</b></p><p>　　ZigBee聯(lián)盟是一個高速成長的非盈利業(yè)界組織，成員包括國際著名半導體生產(chǎn)商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯(lián)盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性價比、低功耗的網(wǎng)絡應用規(guī)格。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟的主要

31、目標是以通過加入無線網(wǎng)絡功能，為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。zigbee技術能融入各類電子產(chǎn)品，應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場。使得聯(lián)盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網(wǎng)絡平臺，設計出簡單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點為制定網(wǎng)絡、安全和應用軟件層;提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測試規(guī)格;在世界各地推廣ZigBee品牌

32、并爭取市場的關注;管理技術的發(fā)展。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標準的制定：IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層，標準已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續(xù)發(fā)布。由于ZigBee不僅只是 802.15.4的代名詞，而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zi