在智能硬件和物聯網領域,時下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無人不知,無人不曉。作為除了wifi、藍牙之外,ZigBee是目前最重要的無線通信協議之一,主要應用于物聯網和智能硬件等領域。關于ZigBee,下文采用問答形式向你詳細地介紹了方方面面,不夸口的說,你所需要知道的關于ZigBee的一切,全在這里了!


起源歷史篇


  ZigBee起源什么技術?

  在藍牙技術的使用過程中,人們發現藍牙技術盡管有許多優點,但仍存在許多缺陷。對工業,家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言,藍牙技術顯得太復雜,功耗大,距離近,組網規模太小等,……而工業自動化,對無線數據通信的需求越來越強烈,而且,對于工業現場,這種無線數據傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此,經過人們長期努力,ZigBee協議在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絡的通信協議Home RF Lite。


  什么是ZigBee?

  首先ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。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和遠近信息的,也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構成了群體中的通信“網絡”,因此ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種無線信息傳輸技術。


  ZigBee技術有哪些特點?

  ZigBee的特點主要有以下幾個方面:

  (1)低功耗:在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月,甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時;

  (2)低成本:通過大幅簡化協議是成本很低(不足藍牙的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,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且ZigBee的協議專利免費;

  (3)低速率:ZigBee工作在250kbps的通訊速率,滿足低速率傳輸數據的應用需求;

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

  (5)短時延:ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3-10s、WiFi需要3s;

  (6)高容量:ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000個節點的大網;

  (7)高安全:ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;

  (8)免執照頻段:采用直接序列擴頻在工業科學醫療2.4GHz(全球)頻段。

  為什么說ZigBee是順應工業自動化對可靠的無線數據傳輸日益增長的需求而產生的?

  ZigBee技術本身,就是因為藍牙技術不能滿足工業自動化中,對低數據量,低成本,低功耗,高可靠性的無線數據通信的需求而產生的。因為,對于工業現場,這種無線數據傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。ZigBee技術中,使用網狀網拓撲結構,自動路由,動態組網,直序擴頻的方式。就是為了滿足工業自動化控制現場的這種需要。


通信技術篇

 

    ZigBee使用那種協議?

  IEEE802.15.4協議,這是一種低傳送速率的無限PAN的協議。在標準化方面,IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議,其余協議主要參照和采用現有的標準,高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。

  為什么ZigBee無線通信使用2,4G頻段是免費頻段?

  在我國和世界上大多數其他國家,一般使用無線電設備都是要付頻率使用費的,包括手機通信,只不過移動運營商已經向國家支付了這筆費用,并通過號碼占用費等方式向用戶收取了這筆費用。在使用其它無線設備時,你首先要向國家相關部門申請頻率使用許可,然后根據你的無線設備所使用的頻率,功率大小和數量收取費用。這是一筆不小的費用,一般設備一年往往要交納幾千元的費用。而免費頻段,是指各個國家根據各自的實際情況,并考慮盡可能與世界其他國家規定的一致性,而劃分出來的一個頻段,專門用于工業,醫療以及科學研究使用(ISM頻段),不需申請而可以免費使用的頻段。我們國家的2.4G頻段,就是這樣一個頻段。然而,為了保證大家都可以合理使用,國家對該頻段內的無線收發設備,在不同環境下的使用功率做了相應的限制。例如在城市環境下,發射功率不能超過100mW。


  ZigBee僅適合近距離通信嗎?

  ZigBee局域網絡不僅可以通過提高每個節點模塊的發射功率和接收靈敏度以及增加節點數量來擴展網絡,而且還可以通過傳統的互聯網去監控路途遙遠的ZigBee控制網絡。但是,在進行擴張要注意的是:(1)隨著發射功率的增加,耗電量自然要增大,只要求耗電也大,便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優勢;(2)盡管2.4Ghz是免費頻段,但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。


  ZigBee與現有數傳電臺的比較有哪些特點?

  其優點如下:

  (1) 可靠性高:由于ZigBee模塊的集成度遠比一般數傳電臺高,分離元器件少,因而可靠性更高;

  (2) 使用方便安全:因為集成度高,比起一般數傳電臺來,ZigBee收法模塊體積可以做得很小,而且功耗低,最大發射電流比一個CDMA手機還要小許多,因而很容易集成或直接安放在到設備之中,不僅使用方便,而且在戶外攜帶使用時不容易受到損壞;

  (3) 抗干擾力強,保密性好,誤碼率低:ZigBee收發模塊使用的是2.4G 直序擴頻技術,比起一般FSK,ASK和跳頻的數傳電臺來,具有更好的抗干擾能力,和更遠的傳輸距離;

  (4) 免費頻段:ZigBee使用的是免費頻段,而許多數傳電臺所使用的頻段不僅需要申請,而且每年都需要向國家無委會交納相當的頻率使用費;

  (5) 價格低: ZigBee數傳模塊的價格只有具有類似功能的數傳電臺的幾分之一。



網絡技術篇


  

  ZigBee所采用的自組織網是怎么回事?

  舉一個簡單的例子就可以說明這個問題,當一隊傘兵空降后,每人持有一個ZigBee網絡模塊終端,降落到地面后,只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內,通過彼此自動尋找,很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。他們預先無法判斷誰雨,而且,由于人員的移動,彼此間的聯絡還會發生變化。因而,模塊還可以通過重新尋找通信對象,確定彼此間的聯絡,對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。


  ZigBee技術為什么要使用自組織網來通信?

  網狀網通信實際上就是多通道通信,在實際工業現場,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據)仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。

       ZigBee怎樣實現遠距離遙測遙控?

  ZigBee 網絡還可以通過接口卡等多種方式,與互聯網,GPRS網,CDMA1x網以及其它通信系統線連接,從而實現遠程操控。你也可以通過其它網絡,將兩個或多個局部ZigBee 網絡連接在一起。


ZigBee聯盟


  ZigBee聯盟的使命是什么?

  ZigBee聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織,成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。


  ZigBee聯盟的目標是什么?

  ZigBee聯盟的主要目標是以通過加入無線網絡功能,為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品,應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網絡平臺,設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。


  ZigBee聯盟所鎖定的焦點是什么?

  其焦點為制定網絡、安全和應用軟件層;提供不同產品的協調性及互通性測試規格;在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關注;管理技術的發展。


  ZigBee聯盟在標準上所做的工作是什么?

  ZigBee標準的制定:IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數據鏈路層,標準已在2003年5月發布。ZigBee網絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經發布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續發布。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞,而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議,因此ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點,而幾個協調器則可形成一個網絡,對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

  ZigBee聯盟強調設備的互通性:很多近距離電子產品嵌入了ZigBee模塊都已具有ZigBee功能,還有許多各種產品預留了ZigBee的接口以備日后隨時升級。各類網關產品的開發也得到進一步開發,網關產品支持ZigBee系統與家居控制網絡、智能建筑網絡及商用網絡等現有的設施互聯等。

 

2017年04月24日

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