ZigBee通信技術特點和性能及其典型應用的詳細概述

ZigBee技術被認為是最有可能像WiFi、藍牙一樣改變我們現在生活的通信技術之一.ZigBee是讓一些設備特別是傳感器接入互聯網的技術。

在家庭自動化控制和工業遙測遙控領域，對無線數據通信的需求越來越強烈,且這種無線數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗現場的各種電磁干擾。

Zigbee的特點就在于功耗更低，實時在線、同一個網關接入數量巨大并且可以自組網, 在物聯網的發展中具有廣闊的應用空間。

Zigbee技術

Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的?？梢哉f是一種小的動物通過簡捷的方式實現“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術，亦包含此寓意。

它是基于IEEE802.15.4協議發展起來的一種短距離無線通信技術，功耗低，被業界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個Zigbee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

ZigBee的技術特點和性能

ZigBee是一種無線連接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（歐洲流行)和915 MHz（美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。

作為一種無線通信技術，ZigBee具有如下特點:

低功耗

由于ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據估算,ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其它無線設備望塵莫及的。

成本低

ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

低復雜性

zigbee協議的大小一般在4-32KB，而藍牙和wi-fi一般都超過100KB。

時延短:

通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。

網絡容量大

一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備, 一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡, 而且網絡組成靈活。 并且在一個網絡中最多可以有65000個節點連接。

網絡建立

zigbee能夠自動建立其所想要的網絡。

可靠

采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式, 每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

安全

ZigBee提供了基于循環沉余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證, 采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

Zigbee的技術性能

1、ZigBee頻帶和數據傳輸率

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在中國采用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。

2、短程無線網絡標準

ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數據傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術適合組建WPAN網絡，就是無線個人設備的聯網，對于數據采集和控制信號的傳輸是非常合適的。它的應用定位就是低速率、復雜網絡、低功耗和低成本應用。

3、無線網絡標準的比較

ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸，可以組建大規模網絡，網絡節點容量達到65535個，具有非常強大的組網優勢；特有的低功耗設計，可以保證電池工作很長時間。

4、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擾能力。

5、Zigbee協議棧

ZigBee采取了IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點，增加了邏輯網絡、網絡安全和應用軟件，更加適合于產品技術的一致化，利于了產品的互連互通；ZigBee繼續與IEEE緊密結合，以保證向市場提供一種完整的集成解決方案。

6、ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網，可以根據實際項目需要來選擇合適的網絡結構。

MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網絡適合點多多點、距離相對較近的應用。

7、ZigBee網絡設備類型

7.1網絡協調器：

包括所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算機能力強。發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、 尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。

7.2全功能設備（FFD）：

可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是RFD連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征

更多的存儲器、計算機能力可使其在空閑時起網絡路由作用。

也可能做終端設備

7.3精簡功能設備（RFD）：

RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

附帶有限的功能來控制成本和復雜性

在網絡中通常用作終端設備。

ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。

RFD由于省掉了內存和其他電路，降 低了ZigBee部件成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助于降低成本。

8、Zigbee抗干擾能力

ZigBee在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術（Direct Sequence / Frequency Agility），ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴展的能力也最強。具備的頻率快變就是改變頻率，以避開從一個已知干擾源或信號源來的影響的能力；

實驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達到10 -9；達到同樣誤碼率，藍牙/ 802.15.1信噪比要達16dB，WLAN的802.11b要達10dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術。

9、ZigBee可靠鏈路

9.1物理層RF通信鏈路

直序擴頻采用高處理增益

明晰的信道檢測

對干擾能量進行檢測

采用跳頻技術Freqencyagility

9.2協議

基于CRC的誤碼檢測/校正

采取了避免沖突的策略CSMA/CA

為固定帶寬的通信業務預留了專業的有保證的時隙

發送的數據包都有待于接受方的確認，如出現問題進行重發

保持數據包的及時傳輸Packet data freshness

9.3通信可靠機制

ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專 用時隙，避免了發送數據使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；

MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包必須等待接受方的確認信息。

9.4網絡的自組織、自愈能力強

ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；

ZigBee自愈功能：增加或刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干 預，保證整個系統仍然能正常工作。

ZigBee技術RF物理層上的設計保證了較強的抗干擾能力和通信可靠性。ZigBee技術在通信協議上的可靠設計，保證了較強的抗干擾能力和通信可靠性。

ZigBee聯盟

ZigBee聯盟成立于2001 年8 月。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉、三星和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯盟大約已有百余家成員企業，并在迅速發展壯大。其中涵蓋了半導體生產商、IP 服務提供商、消費類電子廠商及OEM 商等，例如Honeywell、Eaton 和InvensysMeteringSystems 等工業控制和家用自動化公司，甚至還有像Mattel 之類的玩具公司。

所有這些公司都參加了負責開發ZigBee 物理和媒體控制層技術標準的IEEE802.15.4 工作組。在工業、農業、車載電子系統、家用網絡、醫療傳感器和伺服執行機構等領域，對于無線網絡的要求與民用場合有很大區別。它通常對數據吞吐量的要求很低，功率消耗要低。

此外，簡單方便、可以隨意使用的無線裝置大量涌現，需要布置大量的無線接入點，而低廉的價格將起著關鍵作用。所以ZigBee 標準要解決的問題是設計一個維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無線收發信機。要考慮的核心問題是低功耗和低價格的設計，這就要求該標準應提供低帶寬、低數據傳輸率的應用。

IEEE802.15.4小組與ZigBee聯盟(ZigBeeAlliance)共同制定了ZigBee標準。ZigBee標準是一個正在發展中的低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標準，它是專為低速率傳感器和控制網絡而設計的無線網絡規范。

IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負責制定物理層(PHY)和媒體接人控制(MAc)層規范，于2003年5月通過了IEEE802.15、4標準;ZigBee聯盟是一個全球企業聯盟，旨在合作實現基于全球開放標準、可靠、低成本、低功耗的無線聯網監控產品，它由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、philips與Invensys共同成立，主要負責制定網絡層、安全管理及應用界面規范，于2004年12月通過了 1.0版規范。

Zigbee技術應用

1、適合ZigBee傳輸的數據類型

周期性數據

傳感器數據、水電氣表數據、儀器儀表數據

間斷性數據

工業控制命令、遠程網絡控制、家用電器控制

反復性低反應時間數據

如鼠標鍵盤數據、操作桿的數據

2、適合ZigBee技術的應用場合

設備成本低、傳輸數據量小，設備體積小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊，沒有充足的電源支持，只能使用一次性電池。需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅僅用于監測或控制的環境。

3、Zigbee技術典型應用

3.1結合Zigbee和GPRS的無線數據傳輸

利用GPRS網絡傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節點數據的完整無線網絡設計，網絡采用 星型或MESH網狀網絡拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每Zigbee傳感器節點的功耗，減少了傳感器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率，并利 用GPRS網絡傳輸匯節點的數據，改變了傳統無線傳感器網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，使網絡具有非常顯著的優點。

遠程管理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網絡實現遠程通信， 通過GPRS網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。

3.2醫療監控系統

利用ZIGBEE技術組成一個網狀路由網絡，在樓道設置合適的路由節點，進行數據的中轉，房間內的呼叫節點采用星型網絡連接，由其中一個節點作為ZIGBEE路由器，負責與中心網絡的連接和數據中繼轉發。所有的ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網狀網絡，再與ZIGBEE中心節點連接，中心節點設置在管理中心，構建成一個完整的ZIGBEE無線網絡，是個通信非?？煽康木W絡結構。

3.3無線點餐系統

餐廳ZigBee無線節點網絡，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBee節點設備構成了完整的無線通訊網絡，實現了信息處理的自動化；服務員通過手持的點餐終端處理顧客的點單，用戶訂單通過終端和大廳內的 ZigBee網絡自動的上傳到廚房和收銀臺，無線通信系統的ZIGBEE中心節點、無線ZIGBEE路由和無線點餐終端，夠構成一個 蜂窩狀的通信網絡，任何一個節點以多調方式實現通信。

其中任何一個ZIGBEE路由器，負責與中心網絡的連接和數據中繼轉發；所有的ZIGBEE路由器組成一個蜂窩網狀網絡，與ZIGBEE中心節點連接，中心節點設置在總服務臺，構建成一個完整的ZIGBEE無線網絡，是個通信非?？煽康木W絡結構。

3.4智能交通控制系統

采用ZIGBEE和太陽能結合的無線控制系統，無須挖路布設控制線路，各設備之間實現無線自動組網連接，既降低了系統安裝成本，更重要的是避免了傳統安裝方式對交通干 擾所帶來的經濟損失，而且也避免了由于城市快速發展，道路拓展等變化對原有預埋管線的干擾。

隨著ZigBee技術的不斷完善，它將成為當今世界最前沿的數字化無線技術。ZigBee所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等顯著優勢，使它必將有著廣闊的應用前景。ZigBec聯盟預言在未來的四到五年內，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150個。相信在不久的將來，會有越來越多的具有ZigBee功能的產品進人我們的生活，為我們的生活和工作帶來極大的方便和快捷。