ZIGBEE技术简介

ZigBee无线通讯技术介绍一、ZigBee技术的起源ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线传感器网络的新技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接，面向无线传感和工业控制应用领域。它依据802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。ZigBee联盟成立于2001年8月，2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑。到目前为止，加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）二、技术特点：★功耗低ZigBee技术采用了多种节电的工作模式，在休眠状态下耗电量仅仅只有1μW，通信距离短的情况下工作状态的耗电为30mW，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上；★通信可靠ZigBee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；★网络的自组织、自愈能力强ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作；★成本低设备的复杂程度低，且ZigBee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；ZigBee的工作频段为免执照频段的2.4GHz，是免使用费的无线通信信道；★网络容量大每个ZigBee网络最多可支持65000个节点，也就是说每个ZigBee节点可以与数万节点相连接。由于WSN的能力很大程度上取决于节点的多少，也就是说可容纳的传感器节点越多，WSN的功能越强大。所以ZigBee的网络容量大的特点非常符合WSN的需要；★有效范围大虽然设备之间直接通讯范围在40～350m之间，但是通过加入多级ZigBee路由设备，网络覆盖范围可以拓展到数百米至上千米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。★工作频段灵活使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段，具有16个扩频通信信道。相应的，WSN采取2.4GHZ工作频段的特性将会更有利于WSN的发展。★时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；★数据安全ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法支持CRC和AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性；三、ZigBee技术应用在AMR系统的优势★安装方便和维护费用低廉不受现场环境的限制，在通信半径内的任何位置都可以安装通信设备，从而为通信设备的安装带来了足够的自由度，这是无线通信技术最显著的优点。而有线通信形式，例如目前在AMR中使用最广泛的485通信方式，不仅在通信设备安装之前，需要进行实地考察，选择适当的布线方案进行施工，而且在安装时也受到通信线路的限制，设备必须安装在通信线路预留的接口处，十分不方便。在某些特殊环境，还需要将线路架高或者深埋，一旦线路出现故障，维修周期长而且费用很高。因此，与ZigBee无线通信设备相比，尽管有线通信设备本身有一定的价格优势，但是在设备的安装和后期维护过程中所需要的费用同样相当可观。★通信能力强为了解决485等有线通信方式所存在的布线问题，电力线载波（PLC）集抄技术也在一定范围内得到了应用。该技术利用电力线进行通信，不需要额外铺设通信线路，而且在某些电网质量好的地区，一次抄收成功率可达97%以上。但另一方面，所存在的诸多缺陷也严重的制约了该技术的普及和推广。首先，PLC技术受到电网质量影响比较严重，在电网质量较差的地区或时间段，几乎难以正常通信；其次，电力载波信号在通过变压器之后会发生衰减和反射，不仅造成了跨变压器设备之间的通信困难，而且两个临近的变压器低压端的载波信号，也会经过高压端反射到对方的低压端互相干扰，严重影响通信效果；与PLC技术相比，ZigBee具有强大的通信能力。其物理层采用CSMA-CA通信机制，具备高吞吐率和低延迟的优点，并使用直序扩频（DSSS）通信技术，不仅能够避免多路由和特殊数据碎片所造成的干扰，而且能够自动改变通信频率以避免与其他信号源发生干涉；在MAC层采用接收应答和数据缓冲/转发通信机制，保证了数据的可靠传输。利用如此优异的通信可靠性，完全可以在电表计量功能之外增加其他控制功能，例如远程拉/合闸等；除了可靠性之外，ZigBee强大的通信能力还体现在通信速度方面。高达250kbps的通信速度，不仅是485或PLC等通信方式（485方式波特率一般不超过9600，PLC方式波特率一般不超过1200）所望尘莫及的，并且在数据帧长度为75字节以下时，ZigBee通信效率甚至高于蓝牙（Bluetooth）。因此，ZigBee技术可以在短时间内完成庞大网络中的数据集中，这一特点非常适合实现大规模网络化集抄，也是目前任何其他形式的集抄手段所不具备的能力；★开放的网络化通信标准ZigBee采用了统一的国际标准IEEE802.15.4作为物理层和MAC层，通信频率不需要申请使用执照，并且其网络管理协议、路由算法和应用层接口标准都是完全开放的，保证了任何国家、任何公司的ZigBee产品都具备互操作能力，这不仅为ZigBee产品的维护带来了极大的方便，而且也为进入国际市场铺平了道路。ZigBee采用64位地址空间，可管理庞大的网络，并支持包括Mesh-Networks在内的多种网络TOP结构和复杂的路由算法，能够实现网络自动修补，因此具有非常可靠的通信能力和很强的网络扩展能力，可以覆盖广阔的地理范围，满足大规模网络化集抄的需要；★强大的技术支持和广泛的市场影响力ZigBee技术具备强大的技术支持，其倡导者包括Honeywell、MOTOROLA、PHILIPS和三星电子等世界著名企业，并有包括ABB、Atmel和Microchip等在内的八十多家成员厂商。这些公司不仅具有雄厚的科研能力，而且在各个领域都有长期的开发经验，所制订的协议、标准和算法有广泛的理论基础和充分的实验作为保障。此外，这些公司良好的信誉和完善的信息反馈平台，能够对ZigBee实际应用中出现的问题或错误迅速做出响应，提供具体的解决方案或做出修改，确保协议的稳定性。在ZigBee联盟中有不少公司，在各自的领域中有着举足轻重的市场影响力。随着ZigBee技术逐步成熟和被相关行业所接受，这些公司必然会在这些领域普遍推广ZigBee技术产品，甚至会左右这些行业的标准和发展趋势，使这些行业进入一个更新换代的过程，极大的拉动市场需求，为ZigBee开辟广阔的发展空间。四、ZigBee技术和其他无线技术的比较★Zigbee和蓝牙诞生于1998年的BlueTooth（蓝牙）无线技术，由于复杂、高成本、低传输距离等原因而不能应用在WSN上。但是ZigBee技术完全能适应WSN的苛刻要求，因而ZigBee技术是当前最适合WSN的无线通信技术。★Zigbee和GPRS/CDMA-1X1）无网络使用费：使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算的，而Zigbee没有这笔费用；2）设备投入低：使用移动网需要购买移动终端设备，使用Zigbee网络，Zigbee网络节点模块、网络子节点的价格非常低；3）通信更可靠：由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信数率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠信也存在一定的问题。而ZigBee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证。4）高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同,功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个ZigBee局部自动化控制网，（这个网络可以是星型，树状，网状及其共同组成的复合网结构）再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控；★ZigBee与数传电台1）可靠性高：由于Zigbee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高；2）使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，ZigBee收发模块体积可以做得很小，而且功耗低，最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多，因而很容易集成或直接安放在到设备之中，不仅使用方便，而且在户外使用时，不容易受到破坏；3）抗干扰力强，保密性好，误码率低：ZigBee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK,ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距离；4）免费频段：Zigbee使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请，而且每年都需要向国家无委会交纳相当的频率使用费。五、Zigbee的底层——MAC层简介Zigbee技术的底层——物理层（也称为MAC层和PHY层）是基于IEEE802.15.4标准，IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(DirectSequenceSpreadSpectrum,直接序列扩频),使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段,915MHz是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s,916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传播损耗较小,因此可以降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的有效通信距离,从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。在标准林立的短距离无线通信领域，可以说，ZigBee发展是令人始料不及的。从2004年底标准确立，到2005年底，相关芯片及终端设备总共卖出了1500亿美元。观察家们预计，到2008年，ZigBee的节点数量将从目前不到1百万个骤增至1亿个。六、ZigBee设备和网络拓扑结构ZigBee规范定义了三种类型的设备，每种