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ZigBee

Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議。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。

  Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協(xié)議。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,也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數(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。簡而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無線組網通訊技術。

1、概述

  ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網絡協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。

  ZigBee網絡主要特點是低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網絡中設備的可分為協(xié)調器(Coordinator)、匯聚節(jié)點(Router)、傳感器節(jié)點(EndDevice)等三種角色。

  與此同時,中國物聯(lián)網校企聯(lián)盟認為:Zigbee作為一種短距離無線通信技術,由于其網絡可以便捷的為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能,因此在物聯(lián)網領域具有非常強的可應用性。

2、起源

  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。

  2001年8月,ZigBee Alliance成立。

  2004年,ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規(guī)范的第一個版本。由于推出倉促,存在一些錯誤。

  2006年,推出ZigBee 2006,比較完善。

  2007年底,ZigBee PRO推出。

  2009年3月,Zigbee RF4CE推出,具備更強的靈活性和遠程控制能力。

  2009年開始,Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智能電網Smart Energy(SEP 2.0)的標準,致力于形成全球統(tǒng)一的易于與互聯(lián)網集成的網絡,實現(xiàn)端到端的網絡通信。隨著美國及全球智能電網的建設,Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標準所取代。

  ZigBee的底層技術基于IEEE 802.15.4,即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義。

  在藍牙技術的使用過程中,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,藍牙技術太復雜,功耗大,距離近,組網規(guī)模太小等。而工業(yè)自動化,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絡的通信協(xié)議Home RF Lite。

  長期以來,低價位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。藍牙的出現(xiàn),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,

  但是藍牙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的物理層和媒體介質訪問層。IEEE802.15.4規(guī)范是一種經濟、高效、低數(shù)據(jù)速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術,用于個人區(qū)域網和對等網絡。它是ZigBee應用層和網絡層協(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)從一個網絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點,所以它們的通信效率非常高。

  互聯(lián)網標準化組織IETF也看到了無線傳感器網絡(或者物聯(lián)網)的廣泛應用前景,也加入到相應的標準化制定中。以前許多標準化組織和研究者認為IP技術過于復雜,不適合低功耗、資源受限的無線傳感器網絡,因此都是采用非IP技術。在實際應用中,如zigbee需要接入互聯(lián)網時需要復雜的應用層網關,也不能實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。與此同時,與zigbee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等,相互之間不兼容,不利于產業(yè)化的發(fā)展。IETF和許多研究者發(fā)現(xiàn)了存在的這些問題,尤其是Cisco的工程師基于開源的uIP協(xié)議實現(xiàn)了輕量級的IPv6協(xié)議,證明了IPv6不僅可以運行在低功耗資源受限的設備上,而且,比zigbee更加簡單,徹底改變了大家的偏見,之后基于IPv6的無線傳感器網絡技術得到了迅速發(fā)展。 IETF已經完成了核心的標準規(guī)范,包括IPv6數(shù)據(jù)報文和幀頭壓縮規(guī)范 6Lowpan、 面向低功耗、低速率、鏈路動態(tài)變化的無線網絡路由協(xié)議 RPL、以及面向無線傳感器網絡應用的應用層標準CoAP[4],相關的標準規(guī)范已經發(fā)布。IETF組織成立了IPSO聯(lián)盟,推動該標準的應用,并發(fā)布了一些列白皮書。 IPv6/6Lowpan已經成為許多其它標準的核心,包括智能電網Zigbee SEP2.0、工業(yè)控制標準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4(DASH) 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優(yōu)勢: 可以運行在多種介質上,如低功耗無線、電力線載波、WiFi以太網,有利于實現(xiàn)統(tǒng)一通信;IPv6可以實現(xiàn)端到端的通信,無需網關,降低成本;6Lowpan中采用RPL路由協(xié)議,路由器可以休眠,也可以采用電池供電,應用范圍廣,而zigbee技術路由器不能休眠,應用領域受到限制。6Lowpan標準已經得到大量開源軟件實現(xiàn),最著名的是Contiki、TinyOS系統(tǒng),已經實現(xiàn)完整的協(xié)議棧,全部開源,完全免費,已經在許多產品中得到應用。IPv6/6Lowpan協(xié)議將隨著無線傳感器網絡以及物聯(lián)網的廣泛應用,很可能成為該領域的事實標準。

3、特性

  ①低功耗。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。

  TI公司和德國的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。

  ②低成本。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。

 ?、鄣退俾?。ZigBee工作在20~250kbps的速率,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。

  ④近距離。傳輸范圍一般介于10~100m之間,在增加發(fā)射功率后,亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。

 ?、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15ms,節(jié)點連接進入網絡只需30ms,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍牙需要3~10s、WiFi 需要3 s。

 ?、薷呷萘?。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,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)點還可由上一層網絡節(jié)點管理,最多可組成65000 個節(jié)點的大網。

  ⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, 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。

 ?、嗝鈭?zhí)照頻段。使用工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段,915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) , 。

  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。

  這三個頻帶的擴頻和調制方式亦有區(qū)別。擴頻都使用直接序列擴頻(DSSS),但從比特到碼片的變換差別較大。調制方式都用了調相技術,但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK,而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。

  在發(fā)射功率為0dBm的情況下,藍牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內通常能達到30-50米的作用距離,在室外空曠地帶甚至可以達到400米(TI CC2530不加功率放大)。

  所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術。

  無線數(shù)據(jù)傳輸

  簡單的說,ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網絡,類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里,并且支持無限擴展。

  ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網絡平臺,在整個網絡范圍內,每一個ZigBee網絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信,每個網絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

  與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是,ZigBee網絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,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網絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象,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絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外,每一個Zigbee網絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內,和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。


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