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何為ZigBee無(wú)線通信技術(shù)?
發(fā)布時(shí)間:2024-04-12 瀏覽數(shù)量:1614 來(lái)源:

  Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
  
  一、ZigBee技術(shù)的起源與發(fā)展
  
  在介紹ZigBee之前,要先提一下他的前輩——藍(lán)牙,在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)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(guò)人們的長(zhǎng)期努力, Zigbee協(xié)議在2003年于美國(guó)正式問(wèn)世了。
  
  Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“ Homerflite”技術(shù);2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標(biāo)準(zhǔn), Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。
  
  2002年下半年,英國(guó) vensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯(lián)盟”,以研發(fā)名為“ Zigbee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn),這事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。
  
  2004年12月 Zigbee10標(biāo)準(zhǔn)(又稱為 Zigbee2004)敲定,這使得 Zigbee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。
  
  2005年9月公布 Zig bee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里,華為技術(shù)有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少,與后面的版本也不兼容。
  
  2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂,推出 Zigbee1.1版(又稱為 Zigbee2006)。該協(xié)議雖然命名為 Zigbee1.1,但是與 Zigbee10版是不兼容的
  
  2007年10月完成再次修訂(稱為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本,并且加入了 Zibgeepro部分,此時(shí) Zig beel聯(lián)盟更加專注于以下三個(gè)方面:家庭自動(dòng)化、建筑商業(yè)大樓自動(dòng)化、先進(jìn)抄表基礎(chǔ)建設(shè)。
  
  二、ZigBee的技術(shù)原理
  
  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),十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米,到擴(kuò)展后的幾百米,甚至幾公里;另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如,你可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。
  
  ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立;每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上,而每個(gè)ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)對(duì)象,例如傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料; 除此之外,每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi),和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。
  
  每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以可支持多到31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備,每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式。可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。
  
  三、ZigBee無(wú)線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn):
  
  功耗低
  
  工作模式情況下,ZigBee技術(shù)傳輸速率低,傳輸數(shù)據(jù)量很小,因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短,其次在非工作模式時(shí),ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms,休眠激活時(shí)延為15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式,使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電,ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí),由于電池時(shí)間取決于很多因素,例如:電池種類、容量和應(yīng)用場(chǎng)合,ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用,堿性電池可以使用數(shù)年,對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間)之比小于1%的情況,電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。
  
  數(shù)據(jù)傳輸可靠
  
  ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下,當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送,發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息,并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù),若沒(méi)有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞,將再傳一次,采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴M瑫r(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)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。同時(shí)ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化,通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。
  
  網(wǎng)絡(luò)容量大
  
  ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件:全功能器件(FFD)和簡(jiǎn)化功能器件(RFD)。對(duì)全功能器件,要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件,在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話,可以按3種方式工作,分別為:個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話,僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn),其中一個(gè)是主控(Master)設(shè)備,其余則是從屬(Slave)設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn),再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接,整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。
  
  兼容性
  
  ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò),采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)(CSMA-CA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞,還提供全握手協(xié)議。
  
  安全性
  
  Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無(wú)安全方式,對(duì)于某種應(yīng)用,如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù),器件就可以選擇這種方式來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別,器件可以使用接入控制清單(ACL)來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù),在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對(duì)稱密碼。AES可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件,各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
  
  實(shí)現(xiàn)成本低
  
  模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右,很快就能降到1.5-2.5美元,且Zigbee協(xié)議免專利費(fèi)用。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。
  
  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。
  
  四、ZigBee的技術(shù)應(yīng)用
  
  作為一種低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù),ZigBee有其自身的特點(diǎn),因此有為它量身定做的應(yīng)用,盡管在某些應(yīng)用方面可能和其他技術(shù)重疊。ZigBee可能的一些應(yīng)用,包括智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用。
  
  智能家居
  
  家里可能都有很多電器和電子設(shè)備,如電燈、電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、電腦、空調(diào)等等,可能還有煙霧感應(yīng)、報(bào)警器和攝像頭等設(shè)備,以前我們最多可能就做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制,但如果使用了ZigBee技術(shù),可以把這些電子電器設(shè)備都聯(lián)系起來(lái),組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),甚至可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet,這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控自己家里的情況,并且省卻了在家里布線的煩惱。
  
  工業(yè)控制
  
  工廠環(huán)境當(dāng)中有大量的傳感器和控制器,可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控,加強(qiáng)作業(yè)管理,降低成本。
  
  自動(dòng)抄表
  
  抄表可能是大家比較熟悉的事情,像煤氣表、電表、水表等等,每個(gè)月或每個(gè)季度可能都要統(tǒng)計(jì)一下讀數(shù),報(bào)給煤氣、電力或者供水公司,然后根據(jù)讀數(shù)來(lái)收費(fèi)。現(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來(lái)進(jìn)行抄表,逐家逐戶的敲門(mén),很不方便。而ZigBee可以用于這個(gè)領(lǐng)域,利用傳感器把表的讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進(jìn)行抄表還可以帶來(lái)其它好處,比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶,或者和節(jié)能相結(jié)合,當(dāng)發(fā)現(xiàn)能源使用過(guò)快的時(shí)候可以自動(dòng)降低使用速度。
  
  醫(yī)療監(jiān)護(hù)
  
  電子醫(yī)療監(jiān)護(hù)是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在人體身上安裝很多傳感器,如測(cè)量脈搏、血壓,監(jiān)測(cè)健康狀況,還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報(bào)警器,如在病房環(huán)境,這樣可以隨時(shí)對(duì)人的身體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè),一旦發(fā)生問(wèn)題,可以及時(shí)做出反應(yīng),比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報(bào)警器,可以通過(guò)ZigBee技術(shù)組成一個(gè)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò),由于是無(wú)線技術(shù),傳感器之間不需要有線連接,被監(jiān)護(hù)的人也可以比較自由的行動(dòng),非常方便。
  
  傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
  
  傳感器網(wǎng)絡(luò)也是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn),像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等方面都有很好的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)低成本、低功耗,并且能夠自動(dòng)組網(wǎng)、易于維護(hù)、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢(shì)使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。
  
  電信應(yīng)用
  
  在2006年初的時(shí)候,意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術(shù)的SIM卡,并命名為“ZSIM”[5]。其實(shí)這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯(lián)盟也在2007年4月發(fā)布新聞,說(shuō)聯(lián)盟的成員在開(kāi)發(fā)電信相關(guān)的應(yīng)用[6]。如果ZigBee技術(shù)真得可以在電信領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái),那么將來(lái)用戶就可以利用手機(jī)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)支付,并且在熱點(diǎn)地區(qū)可以獲得一些感興趣的信息,如新聞、折扣信息,用戶也可以通過(guò)定位服務(wù)獲知自己的位置。雖然現(xiàn)在的GPS定位服務(wù)已經(jīng)做得很好,但卻很難支持室內(nèi)的定位,而ZigBee的定位功能正好彌補(bǔ)這一缺陷。


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