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ZigBee技术

简介: <div id="card-container" class="mod-top" style=""> <div class="card-summary nslog-area clearfix" style="line-height:25px; background-color:rgb(255,255,255); margin-bottom:18px; color:rgb(51,51,51
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

1技术简介编辑

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术,统称为ZigBee。
简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMAGSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。[1] 

2技术特点编辑

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:
(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
(2) 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
(4) 网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。
(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

3应用实例编辑

ZigBee[2] 模块是一种物联网无线数据终端,利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。
该产品采用高性能的工业级ZigBee方案,提供SMT与DIP接口,可直接连接TTL接口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1mA;提供6路I/O,可实现数字量输入输出、脉冲输出;其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。
该产品已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业,如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。
应用设计
1.采用高性能工业级ZigBee芯片
2.低功耗设计,支持多级休眠和唤醒模式,最大限度降低功耗
3.电源输入(DC 2.0~3.6V)
稳定可靠
1.WDT看门狗设计,保证系统稳定
2.提供TTL串行接口,SPI接口。
3.天线接口防雷保护(可选)
标准易用
1.采用2.0的SMA与DIP接口,特别适合于不同用户的应用需求。
2.提供TTL接口可直接连相同电压的TTL串口设备
3.智能型数据模块,上电即可进入数据传输状态
4.使用方便,灵活,多种工作模式选择
5.方便的系统配置和维护接口
6.支持串口软件升级和远程维护
功能强大
1.支持ZigBee无线短距离数据传输功能
2.具备中继路由和终端设备功能
3.支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络
4.网络容量大:65000个节点
5.节点类型灵活:中心节点、路由节点、终端节点可任意设置;
6.发送模式灵活:广播发送或目标地址发送模式可选
7.通信距离大
8.提供6路I/O,可实现6路数字量输入输出;兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能

4自组织网编辑

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事?举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网

通信原因

网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

路由方式

所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中,路径的选择使用的是“梯度法”,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。

5Zigbee联盟编辑

ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品,应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。
ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、安全和应用软件层;提供不同产品的协调性及互通性测试规格;在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注;管理技术的发展。

6标准制定编辑

IEEE组织早在2003年就开始制定IEEE802.15.4标准并发布,2006年进行标准更新,最新针对智能电网应用制定了IEEE802.15.4g标准,针对工业控制应用制定了IEEE802.15.4e标准。IEEE802.15.4系列标准属于物理层和MAC层标准,由于IEEE组织在无线领域的影响力,以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名芯片厂商的推动,该标准已经成为无线传感器网络领域的事实标准,符合该标准的芯片已经在各个行业得到广泛应用。
ZigBee联盟对ZigBee标准的制定:IEEE802.15.4物理层、MAC层及数据链路层,标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词,而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
2001年8月,ZigBee Alliance成立[3] 
2004年,ZigBee V1.0诞生。它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误。
2006年,推出ZigBee 2006,比较完善;
2007年底,ZigBee PRO推出;
2009年3月,zigbee RF4CE推出,具备更强的灵活性和远程控制能力;
2009年开始,zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准[4] 作为新一代智能电网Smart Energy(SEP 2.0)的标准,致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络,实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用,物联网感知层技术标准[5] 将逐渐由zigbee技术向IPv6 6Lowpan标准过渡。

7相关标准比较编辑

Zigbee是一种无线自组网技术标准,由Zigbee联盟制定。近年来,IETF组织也针对物联网制定了6Lowpan无线自组网技术体系,包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL组网路由、CoAP应用层标准,具有开放、免费、海量地址空间、与互联网无缝集成等优势,受到越来越多的关注,并且被Zigbee IP(智能电网)、ETSI M2M、ISA100工业标准等采纳,发展迅速,很可能成为物联网领域的事实标准。因此有必要比较两种技术标准:
性能指标
Zigbee
6Lowpan
物理层
IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 或 802.15.4g
工作频段
2.4GHz
2.4GHz 或者 Sub-GHz
组网协议
AODV路由,适用于无线信号很稳定的场合
RPL组网路由,灵活性高,适合各种应用场合,且链路冗余,稳定性好
功耗性能
路由节点不能休眠,无法电池供电
路由节点可以休眠,可以电池供电
网关需求
需要十分复杂的应用层专用网关
属于IPv6技术,无需网关
与HTTP集成
不支持,需要很复杂的转换
与HTTP无缝转换,集成方便
端到端通信
不支持,与不属于TCP/IP体系
支持,属于IPv6体系
地址标识
Zigbee使用网内专用地址,地址为16位或者64位,地址有限,互联网主机无法访问
全球唯一的IPv6的地址,地址为128位,永远用不完,互联网主机可以直接访问
开放性
标准开放,协议栈不开源
标准开放,协议栈开源免费
可定制性
无法修改定制
可以任意修改定制,形成最适合应用需求的解决方案
产品认证
需要认证或者加入联盟,费用高
无需认证
开发接口
Zigbee专用接口
类似于Socket的通用接口
网络仿真
无相关仿真软件
Cooja等仿真软件,对协议验证及发表论文很有帮助
开源支持
涉及版权问题,与GPL协议冲突,开源组织不支持Zigbee
开源组织强力推动,技术有保障
发展趋势
Zigbee是孤立的协议,制定较早,逐渐走下坡路
6Lowpan已经被Zigbee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a等标准采纳,最可能成为事实标准
此外,国外的研究者也专门对6Lowpan和zigbee两种技术进行详细比较和分析,详见:Zigbee VS 6Lowpan for Sensor Networks[6] 

8发展前景编辑

随着我国物联网正进入发展的快车道,ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee,ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询,提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中,基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器,遇到险情时,可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决,而且,使用简单方便,可靠性高。
据中国电信副总工程师靳东滨介绍,预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元,年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外,工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉,2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长,将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及,其产业规模将远超互联网

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