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ZigBee技术

ZigBee技术

ZigBee技术

ZigBee技术是一种近距离、低複杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的套用。

基本介绍

  • 中文名:ZigBee技术
  • 外文名:ZigBee Technology
  • 特点:近距离、低複杂度、低功耗
  • 套用:传输速率不高的各种电子设备

技术说明

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。藉此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术,统称为ZigBee。
简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网路,类似于CDMA和GSM网路。ZigBee数传模组类似于行动网路基站。通讯距离从标準的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65535个无线数传模组组成的一个无线数传网路平台,在整个网路範围内,每一个ZigBee网路数传模组之间可以相互通信,每个网路节点间的距离可以从标準的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网路主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网路节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连线的感测器直接进行数据採集和监控,还可以自动中转别的网路节点传过来的数据资料。除此之外,每一个ZigBee网路节点(FFD)还可在自己信号覆盖的範围内,和多个不承担网路信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连线。

技术特点

ZigBee是一种无线连线,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的範围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:
(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且採用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。
(2) 成本低: ZigBee模组的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协定是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜寻设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)套用。
(4) 网路容量大: 一个星型结构的Zigbee网路最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网路, 而且网路组成灵活。
ZigBee技术
(5) 可靠: 採取了碰撞避免策略,同时为需要固定频宽的通信业务预留了专用时隙,避开了传送数据的竞争和冲突。MAC层採用了完全确认的数据传输模式, 每个传送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鑒权和认证, 採用了AES-128的加密算法,各个套用可以灵活确定其安全属性。

套用实例

ZigBee模组是一种物联网无线数据终端,利用ZigBee网路为用户提供无线数据传输功能。该产品採用高性能的工业级ZigBee方案,提供SMT与DIP接口,可直接连线TTL接口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1mA;提供6路I/O,可实现数字量输入输出、脉冲输出;其中有3路I/O还可实现模拟量採集、脉冲计数等功能。
该产品已广泛套用于物联网产业链中的M2M行业,如智慧型电网、智慧型交通、智慧型家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智慧型建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数位化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。
zigbee组网模式zigbee组网模式
套用设计
1.採用高性能工业级ZigBee晶片
2.低功耗设计,支持多级休眠和唤醒模式,最大限度降低功耗
3.电源输入(DC 2.0~3.6V)
稳定可靠
1.WDT看门狗设计,保证系统稳定
2.提供TTL串列接口,SPI接口。
3.天线接口防雷保护(可选)
标準易用
1.採用2.0的SMA与DIP接口,特别适合于不同用户的套用需求。
2.提供TTL接口可直接连相同电压的TTL串口设备
3.智慧型型数据模组,上电即可进入数据传输状态
4.使用方便,灵活,多种工作模式选择
5.方便的系统配置和维护接口
6.支持串口软体升级和远程维护
功能强大
ZigBee技术
1.支持ZigBee无线短距离数据传输功能
2.具备中继路由和终端设备功能
3.支持点对点、点对多点、对等和Mesh网路
4.网路容量大:65535个节点
5.节点类型灵活:中心节点、路由节点、终端节点可任意设定;
6.传送模式灵活:广播传送或目标地址传送模式可选
7.通信距离大
8.提供6路I/O,可实现6路数字量输入输出;兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能

自组织网

ZigBee技术所採用的自组织网是怎幺回事?举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网路模组终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网路模组的通信範围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网路。
而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模组还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网路进行刷新。这就是自组织网。

通信原因

网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

路由方式

所谓动态路由是指网路中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网路当时可利用的所有路径进行搜寻,分析它们的位置关係以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网路管理软体中,路径的选择使用的是“梯度法”,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。
在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。

Zigbee联盟

ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成员包括国际着名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性价比、低功耗的网路套用规格。
ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网路功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品,套用範围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标準化无线网路平台,设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。
ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网路、安全和套用软体层;提供不同产品的协调性及互通性测试规格;在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注;管理技术的发展。

标準制定

IEEE组织早在2003年就开始制定IEEE802.15.4标準并发布,2006年进行标準更新,最新针对智慧型电网套用制定了IEEE802.15.4g标準,针对工业控制套用制定了IEEE802.15.4e标準。IEEE802.15.4系列标準属于物理层和MAC层标準,由于IEEE组织在无线领域的影响力,以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等着名晶片厂商的推动,该标準已经成为无线感测器网路领域的事实标準,符合该标準的晶片已经在各个行业得到广泛套用。
ZigBee联盟对ZigBee标準的制定:IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层,标準已在2003年5月发布。ZigBee网路层、加密层及套用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他套用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词,而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协定,因此ZigBee联盟对其网路层协定和API进行了标準化。完全协定用于一次可直接连线到一个设备的基本节点的4K位元组或者作为Hub或路由器的协调器的32K位元组。每个协调器可连线多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网路,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网路的远距离传输不会被其它节点获得。
2001年8月,ZigBee Alliance成立。
2004年,ZigBee V1.0诞生。它是zigbee的第一个规範.但由于推出仓促,存在一些错误。
2006年,推出ZigBee 2006,比较完善;
2007年底,ZigBee PRO推出;
2009年3月,zigbee RF4CE推出,具备更强的灵活性和远程控制能力;
2009年开始,zigbee採用了IETF的IPv6 6Lowpan标準作为新一代智慧型电网Smart Energy(SEP 2.0)的标準,致力于形成全球统一的易于与网际网路集成的网路,实现端到端的网路通信。随着美国及全球智慧型电网的大规模建设和套用,物联网感知层技术标準将逐渐由zigbee技术向IPv6 6Lowpan标準过渡。

相关标準比较

Zigbee是一种无线自组网技术标準,由Zigbee联盟制定。近年来,IETF组织也针对物联网制定了6Lowpan无线自组网技术体系,包括6Lowpan、IPv6、ROLL RPL组网路由、CoAP套用层标準,具有开放、免费、海量地址空间、与网际网路无缝集成等优势,受到越来越多的关注,并且被Zigbee IP(智慧型电网)、ETSI M2M、ISA100工业标準等採纳,发展迅速,很可能成为物联网领域的事实标準。因此有必要比较两种技术标準:
性能指标
Zigbee
6Lowpan
物理层
IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4 或 802.15.4g
工作频段
2.4GHz
2.4GHz 或者 Sub-GHz
组网协定
AODV路由,适用于无线信号很稳定的场合
RPL组网路由,灵活性高,适合各种套用场合,且链路冗余,稳定性好
功耗性能
路由节点不能休眠,可以电池供电
路由节点可以休眠,可以电池供电
网关需求
需要十分複杂的套用层专用网关
属于IPv6技术,无需网关
与HTTP集成
不支持,需要很複杂的转换
与HTTP无缝转换,集成方便
端到端通信
不支持,与不属于TCP/IP体系
支持,属于IPv6体系
地址标识
Zigbee使用网内专用地址,地址为16位或者64位,地址有限,网际网路主机无法访问
全球唯一的IPv6的地址,地址为128位,永远用不完,网际网路主机可以直接访问
开放性
标準开放,协定栈不开源
标準开放,协定栈开源免费
可定製性
无法修改定製
可以任意修改定製,形成最适合套用需求的解决方案
产品认证
需要认证或者加入联盟,费用高
无需认证
开发接口
Zigbee专用接口
类似于Socket的通用接口
网路仿真
无相关仿真软体
Cooja等仿真软体,对协定验证及发表论文很有帮助
开源支持
涉及着作权问题,与GPL协定冲突,开源组织不支持Zigbee
开源组织强力推动,技术有保障
发展趋势
Zigbee是孤立的协定,制定较早,逐渐走下坡路
6Lowpan已经被Zigbee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a等标準採纳,最可能成为事实标準
此外,国外的研究者也专门对6Lowpan和zigbee两种技术进行详细比较和分析,详见:Zigbee VS 6Lowpan for Sensor Networks。

发展前景

随着我国物联网正进入发展的快车道,ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智慧型感测器场景中进行了套用。如在北京捷运9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便採用的是ZigBee,ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断準确、定位轨迹準确和可查询,提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中,基于ZigBee网路的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器,遇到险情时,可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决,而且,使用简单方便,可靠性高。
据中国电信副总工程师靳东滨介绍,预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元,年複合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外,工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉,2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长,将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及,其产业规模将远超网际网路。

技术瓶颈

成本:目前ZIGBEE晶片出货量比较大的TI公司,晶片其成本均在2~3美金左右,再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件,成本难以低于10美金,针对智慧型家居这种成本敏感而又需要大量节点的家用设备,其成本颇为尴尬。
通信稳定性:目前国内Zigbee技术主要採用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折扣。当然,有些厂家会使用射频功放,对2.5G信号进行放大,但是这样会造成额外的辐射污染,同时也和ZIGBEE低功耗,节能的初衷背道而驰。
自组网能力:Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强,自恢复能力强,因此,对于井下定位,停车场车位定位,室外温湿度採集,污染採集等套用非常具有吸引力。然而,对于智慧型家居的套用场景中,开关,插座,窗帘的位置一旦固定,一直不变,自组网的优点也就不复存在,但是自组网所耗费的时间和资源缺却依旧不会减少。
ZigBee技术的安全性较高,其安全性源于其系统性的设计:採用AES加密(高级加密系统),严密程度相当于银行卡加密技术的12倍;其次,ZigBee採用蜂巢结构组网,每个设备不仅能通过多个方向与网关通信,保障网路的稳定性;每个设备还具有无线信号中继功能,可以接力传输通讯信息把无线距离传到1000米以外。另外,其网路容量理论节点为65300个,能够满足家庭网路覆盖需求,即便是智慧型小区、智慧型楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖;最后,ZigBee具备双向通信的能力,不仅能传送命令到设备,同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。此外,ZigBee採用了极低功耗设计,可以全电池供电,理论上一节电池能使用2年以上。

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