Zigbee無線通信技術(shù)詳解解析

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Zigbee無線通信技術(shù)

一、Zigbee技術(shù)簡介二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍四、小結(jié)一、Zigbee技術(shù)簡介一、什么是Zigbee？ Zigbee一詞源自蜜蜂群在覺察花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，到達交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低本錢、低簡單度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。ZigBee聯(lián)盟成立于2023年8月，2023年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一大事成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟的不僅僅只有當(dāng)時的四大公司，而是涵蓋了IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的150多家企業(yè)。一、Zigbee技術(shù)簡介二、ZigBee技術(shù)特點ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢、低簡單度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee實行了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點：省電、簡潔、本錢又低的規(guī)格；ZigBee增加了規(guī)律網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層；ZigBee的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括無線數(shù)據(jù)采集、無線工業(yè)掌握、消費性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備掌握、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)掌握等場合；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率二、短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)三、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢五、Zigbee物理信道六、Zigbee協(xié)議棧七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型九、Zigbee抗干擾力量十、ZigBee牢靠鏈路二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個；ZigBee在中國承受2.4G的ISM頻段，是免申請和免使用費的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250K。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析二、短程無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術(shù)適合組建WPAN網(wǎng)絡(luò)，就是無線個人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和掌握信號的傳輸是特別適宜的。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、簡單網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低本錢應(yīng)用。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析三、無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍，適合傳感器數(shù)據(jù)采集和掌握數(shù)據(jù)的傳輸；ZigBee無線可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量到達65535個，具有特別強大的組網(wǎng)優(yōu)勢；ZigBee技術(shù)特有的低功耗設(shè)計，可以保證電池工作很長時間。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析四、zigbee技術(shù)優(yōu)勢

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(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。

②低本錢。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對通信掌握器的要求,按猜測分析,以8051的8位微掌握器測算,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。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率,分別供給250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 ④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間,在增加RF放射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。假設(shè)通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析 ⑤短時延。Zigbee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要3～10s、WiFi需要3s。 ⑥高容量。Zigbee可承受星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造,由一個主節(jié)點治理假設(shè)干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可治理254個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點治理,最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)。

⑦高安全。Zigbee供給了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入掌握清單(ACL)防止非法獵取數(shù)據(jù)以及承受高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼,以敏捷確定其安全屬性。

⑧免執(zhí)照頻段。承受直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析五、Zigbee物理信道ZigBee在2.4G的頻段上具有16個信道，從2.405GHz—2.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強的信道抗串?dāng)_力量。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析六、Zigbee協(xié)議棧ZigBee實行了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點ZigBee增加了規(guī)律網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的全都化，利于產(chǎn)品的互連互通；ZigBee連續(xù)與IEEE嚴(yán)密結(jié)合，以保證向市場供給一種完整的集成解決方案。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析七、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造ZigBee技術(shù)具有強大的組網(wǎng)力量，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以依據(jù)實際工程需要來選擇適宜的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)錁?gòu)造還可以組成極為簡單的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點多多點、距離相對較近的應(yīng)用。星型Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)簇狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備〔FFD，Router〕精簡功能設(shè)備〔RFD〕二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析八、ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包括全部的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中最簡單的一種，存儲容量最大、計算機力量強。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、治理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、查找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設(shè)備〔FFD〕：可以擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的FFD或是RFD連結(jié)，F(xiàn)FD具備掌握器的功能，可供給信息雙向傳輸。附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.15.4功能和全部特征更多的存儲器、計算機力量可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由作用。也可能做終端設(shè)備精簡功能設(shè)備〔RFD〕：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。附帶有限的功能來掌握本錢和簡單性在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。ZigBee相對簡潔的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件本錢，而簡潔的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低本錢。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析九、Zigbee抗干擾力量ZigBee在物理層承受高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術(shù)〔DirectSequence/FrequencyAgility〕；ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴展的力量也最強；ZigBee具備的頻率快變就是轉(zhuǎn)變頻率，以避開從一個干擾源或信號源來的影響的力量；二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析試驗證明的誤碼率，特殊是在信噪比為4dB的狀況下可到達10-9；到達同樣誤碼率，藍(lán)牙/802.15.1信噪比要達16dB，802.11b要達10dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN技術(shù)。二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析十、ZigBee牢靠鏈路物理層RF通信鏈路直序擴頻承受高處理增益明晰的信道檢測對干擾能量進展檢測承受跳頻技術(shù)Freqencyagility協(xié)議基于CRC的誤碼檢測/校正實行了避開沖突的策略CSMA/CA為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專業(yè)的有保證的時隙發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于承受方確實認(rèn)，如消失問題進展重發(fā)保持?jǐn)?shù)據(jù)包的準(zhǔn)時傳輸Packetdatafreshness二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析通信牢靠機制ZigBee承受了CSMA-CA的碰撞避開機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層承受了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必需等待承受方確實認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈力量強ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成構(gòu)造化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造進展相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍舊能正常工作。ZigBee技術(shù)RF物理層上的設(shè)計保證了較強的抗干擾力量和通信牢靠性；ZigBee技術(shù)在通信協(xié)議上的牢靠設(shè)計，保證了較強的抗干擾力量和通信牢靠性。三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍一、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型二、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場合三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍一、適合ZigBee傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型周期性數(shù)據(jù)：傳感器數(shù)據(jù)、水電氣表數(shù)據(jù)、儀器儀表數(shù)據(jù)連續(xù)性數(shù)據(jù)工業(yè)掌握命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)掌握、家用電器掌握反復(fù)性低反響時間數(shù)據(jù)如鼠標(biāo)鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù)

三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍二、適合ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場合設(shè)備本錢低、傳輸數(shù)據(jù)量小設(shè)備體積小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊沒有充分的電源支持，只能使用一次性電池需要較大范圍的通信掩蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備特別多，但僅僅用于監(jiān)測或掌握三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)3、無線點餐系統(tǒng)4、智能交通掌握系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍1、結(jié)合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍系統(tǒng)概述利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)承受星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每Zigbee傳感器節(jié)點的功耗，削減了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進展數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有特別顯著的優(yōu)點；利用ZIGBEE技術(shù)優(yōu)勢組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可以依據(jù)區(qū)域布置不同的匯接點，這個匯接點就是ZIGBEE的中心節(jié)點；遠(yuǎn)程治理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效掌握和治理。系統(tǒng)應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程掌握網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)概述利用ZIGBEE技術(shù)組成一個網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò)，在樓道設(shè)置適宜的路由節(jié)點，進展數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)；房間內(nèi)的呼叫節(jié)點承受星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個節(jié)點作為ZIGBEE路由器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)；全部的ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與ZIGBEE中心節(jié)點連接，中心節(jié)點設(shè)置在治理中心，構(gòu)建成一個完整的ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)，是個通信特別牢靠的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造。系統(tǒng)應(yīng)用醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍3、智能交通掌握系統(tǒng)圖一無線交通信號掌握圖二Zigbee遠(yuǎn)程交通掌握三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍系統(tǒng)概述承受ZIGBEE和太陽能結(jié)合的無線掌握系統(tǒng)，無須挖路布設(shè)掌握線路，各設(shè)備之間實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)連接，既降低了系統(tǒng)安裝本錢，更重要的是避開了傳統(tǒng)安裝方式對交通干擾所帶來的經(jīng)濟損失，而且也避開了由于城市快速進展，道路拓展等變化對原有預(yù)埋管線的干擾。系統(tǒng)應(yīng)用路口交通信號燈掌握遠(yuǎn)程交通信號掌握道路信息采集不停車收費系統(tǒng)三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍4、無線點餐系統(tǒng)系統(tǒng)概述餐廳ZigBee無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBee節(jié)點設(shè)備構(gòu)成了完整的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了信息處理的自動化；內(nèi)置無線ZIGBEE