ZigBee技術被認為是最有可能像WiFi、藍牙一樣改變我們現(xiàn)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(lián)網(wǎng)的技術。

在家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領域，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈,且這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗現(xiàn)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(wǎng)關接入數(shù)量巨大并且可以自組網(wǎng), 在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中具有廣闊的應用空間。

Zigbee技術

Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)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(xiàn)“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(wǎng)絡通信技術，亦包含此寓意。

它是基于IEEE802.15.4協(xié)議發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術，功耗低，被業(yè)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(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)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(nèi),但可以繼續(xù)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(fā)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(jù)估算,ZigBee設備僅靠兩節(jié)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(xié)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(xié)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(tài)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(yè)控制場合等)應用。

網(wǎng)絡容量大

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

網(wǎng)絡建立

zigbee能夠自動建立其所想要的網(wǎng)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(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

安全

ZigBee提供了基于循環(huán)沉余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)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(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(wǎng)絡標準

ZigBee ?和 802.15.4 標準都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee ?無線技術適合組建WPAN 網(wǎng)絡，就是無線個人設備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡、低功耗和低成本應用。

3、無線網(wǎng)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(shù)據(jù)采集和控制數(shù)據(jù)的傳輸，可以組建大規(guī)模網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點容量達到65535 個，具有非常強大的組網(wǎng)優(yōu)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(xié)議棧

ZigBee ?采取了 IEEE 802.15.4 ?強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點，增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術的一致化，利于了產(chǎn)品的互連互通；ZigBee ?繼續(xù)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(wǎng)絡拓撲結構

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

MESH ?網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)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(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡適合點多多點、距離相對較近的應用。

7、ZigBee網(wǎng)絡設備類型

7.1網(wǎng)絡協(xié)調器：

包括所有的網(wǎng)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(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、 尋找一對節(jié)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(wǎng)絡協(xié)調者，形成網(wǎng)絡，讓其它的 FFD 或是RFD連結，F(xiàn)FD 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(wǎng)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(wǎng)絡中通常用作終端設備。

ZigBee相對簡單的實現(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部件成本，而簡單的 8 位處理器和小協(xié)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?Freqency?agility

9.2協(xié)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(yè)務預留了專業(yè)的有保證的時隙

發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)

保持數(shù)據(jù)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(yè)務預留了專 用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認信息。

9.4網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強

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

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)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干 預，保證整個系統(tǒng)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(xié)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技術應用

1、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)

間斷性數(shù)據(jù)

工業(yè)控制命令、遠程網(wǎng)絡控制、家用電器控制

反復性低反應時間數(shù)據(jù)

如鼠標鍵盤數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù)??

2、適合ZigBee技術的應用場合

設備成本低、傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)絡中的設備非常多，但僅僅用于監(jiān)測或控制的環(huán)境。

3、Zigbee技術典型應用

3.1結合?Zigbee和?GPRS?的無線數(shù)據(jù)傳輸

利用 GPRS 網(wǎng)絡傳輸基于 Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡設計，網(wǎng)絡采用 星型或 MESH ?網(wǎng)狀網(wǎng)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(jié)點的功耗，減少了傳感器節(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)絡傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡需要依托有線公共網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲咕W(wǎng)絡具有非常顯著的優(yōu)點。

遠程管理中心通過?GPRS?等公共信道與ZIGBEE 網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程通信， 通過 GPRS 網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。

?3.2醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

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

3.3無線點餐系統(tǒng)?

餐廳 ZigBee無線節(jié)點網(wǎng)絡，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的ZigBee節(jié)點設備構成了完整的無線通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)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(nèi)的 ZigBee ?網(wǎng)絡自動的上傳到廚房和收銀臺，無線通信系統(tǒng)的 ZIGBEE 中心節(jié)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(wǎng)絡，任何一個節(jié)點以多調方式實現(xiàn)通信。?

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

3.4智能交通控制系統(tǒng)

采用 ZIGBEE 和太陽能結合的無線控制系統(tǒng)，無須挖路布設控制線路，各設備之間實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)連接，既降低了系統(tǒng)安裝成本，更重要的是避免了傳統(tǒng)安裝方式對交通干 擾所帶來的經(jīng)濟損失，而且也避免了由于城市快速發(fā)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(shù)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(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應用前景。ZigBec聯(lián)盟預言在未來的四到五年內(nèi)，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(chǎn)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。

審核編輯：劉清