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天地方圓

走進Zigbee

作者:張軍朝  工作單位:太原理工大學  聯系方式:  發表時間:2009-03-13  瀏覽次數:2436

 

什么是Zigbee
  Zigbee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息,也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。其特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備。
  簡而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無線組網通訊技術。

Zigbee的起源
  Zigbee, 在中國被譯為"紫蜂",它于藍牙相類似.是一種新興的短距離無線技術,用于傳感控制應用(sensor and control).
  此想法在IEEE 802.15工作組中提出,于是成立了TG4工作組,并制定規范IEEE 802.15.4.
  2002年,zigbee Alliance成立.
  2004年,zigbee V1.0誕生.它是zigbee的第一個規范.但由于推出倉促,存在一些錯誤.
  2006年,推出zigbee 2006,比較完善.
  2007年底,zigbee PRO推出
  zigbee的底層技術基于 IEEE 802.15.4.
  物理層和MAC層直接引用了IEEE 802.15.4
  在藍牙技術的使用過程中,人們發現藍牙技術盡管有許多優點,但仍存在許多缺陷。對工業,家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言,藍牙技術顯得太復雜,功耗大,距離近,組網規模太小等,而工業自動化,對無線數據通信的需求越來越強烈,而且,對于工業現場,這種無線數據傳輸必須是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此,經過人們長期努力,Zigbee協議在2003年正式問世。另外,Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網絡的通信協議Home RF Lite。
  長期以來,低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自從Bluetooth出現以后,曾讓工業控制、家用自動控制、玩具制造商等業者雀躍不已,但是Bluetooth的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意愿。如今,這些業者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介入控制層。IEEE802.15.4規范是一種經濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/928MHz的無線技術,用于個人區域網和對等網絡。它是ZigBee應用屋和網絡層協議的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它依據802.15.4標準,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。

Zigbee無線數據傳輸網絡描述
        簡單的說,Zigbee是一種高可靠的無線數傳網絡,類似于CDMA和GSM網絡。Zigbee數傳模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里,并且支持無限擴展。
  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。
  與移動通信的CDMA網或GSM網不同的是,Zigbee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立,因而,它必須具有簡單,使用方便,工作可靠,價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立,每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上,而每個Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網絡節點不僅本身可以作為監控對象,例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控,還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料。除此之外,每一個Zigbee網絡節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內,和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

Zigbee采用的自組織網通信方式
  ZigBee技術所采用的自組織網是怎么回事?舉一個簡單的例子就可以說明這個問題,當一隊傘兵空降后,每人持有一個ZigBee網絡模塊終端,降落到地面后,只要他們彼此間在網絡模塊的通信范圍內,通過彼此自動尋找,很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網絡。而且,由于人員的移動,彼此間的聯絡還會發生變化。因而,模塊還可以通過重新尋找通信對象,確定彼此間的聯絡,對原有網絡進行刷新。這就是自組織網。
  ZigBee技術為什么要使用自組織網來通信?
  網狀網通信實際上就是多通道通信,在實際工業現場,由于各種原因,往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通,就像城市的街道一樣,可能因為車禍,道路維修等,使得某條道路的交通出現暫時中斷,此時由于我們有多個通道,車輛(相當于我們的控制數據)仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。
  為什么自組織網要采用動態路由的方式?
  所謂動態路由是指網絡中數據傳輸的路徑并不是預先設定的,而是傳輸數據前,通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索,分析它們的位置關系以及遠近,然后選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網絡管理軟件中,路徑的選擇使用的是“梯度法”,即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸,如傳不通,再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸,以此類推,直到數據送達目的地為止。在實際工業現場,預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化,或者因各種原因路徑被中斷了,或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構,就可以很好解決這個問題,從而保證數據的可靠傳輸。

Zigbee自身的技術優勢
  ①低功耗。在低耗電待機模式下,2 節5 號干電池可支持1個節點工作6~24個月,甚至更長。這是Zigbee的突出優勢。相比較, 藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。
  ②低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且Zigbee免協議專利費。每塊芯片的價格大約為2 美元。
  ③ 低速率。Zigbee工作在20~250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數據吞吐率,滿足低速率傳輸數據的應用需求。
  ④近距離。傳輸范圍一般介于10~100 m 之間,在增加RF 發射功率后,亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。
  ⑤短時延。Zigbee 的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms ,節點連接進入網絡只需30 ms ,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3~10 s、WiFi 需要3 s。
  ⑥高容量。Zigbee 可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254 個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000 個節點的大網。
  ⑦高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
  ⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。

Zigbee的頻帶
  1) 868MHZ 傳輸速率為20KB/S 適用于歐洲
  2) 915MHZ 傳輸速率為40KB/S 適用于美國
  3) 2.4GHZ 傳輸速率為250KB/S 全球通用
  由于 此三個頻帶物理層并不相同,其各自信道帶寬也不同,分別為
  0.6MHZ,2MHZ和5MHZ.分別有1個10個和16個信道.
  不同頻帶的擴頻和調制方式有區別.雖然都使用了直接擴頻(DSSS)的方式,但從比特到碼片的變換方式有較大的差別.
  調制方式都用了調相技術,但868MHZ和915MHZ頻段采用的是BPSK
  而2.4GHZ頻段采用的是OQPSK
  在發射功率為0dBm的情況下,BLUETOOTH通常能用10M的作用范圍.
  而基于IEEE 802.15.4的zigbee在室內通常能達到30-50米作用距離,在室外如果障礙物少,甚至可以達到100米作用距離.
  所以zigbee可歸為低速率的短距離無線通信技術.

Zigbee性能分析
  1.數據速率比較低 在2.4GHZ的頻段只有250KB/S,而且只是鏈路上的速率,除掉信道競爭應答和重傳等消耗,真正能被應用所利用的速率可能不足100KB/S,并且余下的速率可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個應用所瓜分.因此不適合做視頻之類事情.
  適合的應用領域--------傳感和控制
  2.可靠性 在可靠性方面,zigbee有很多方面進行保證.物理層采用了擴頻技術,能夠在一定程度上抵抗干擾
  MAC應用層(APS部分)有應答重傳功能.
  MAC層的CSMA機制使節點發送前先監聽信道,可以起到避開干擾的作用.
  當zigbee網絡受到外界干擾,無法正常工作時,整個網絡可以動態的切換到另一個工作信道上.
  3.時延 由于zigbee采用隨機接入MAC層,且不支持時分復用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些實時的業務.
  4.能耗特性 能耗特性是zigbee的一個技術優勢.
  通常zigbee節點所承載的應用數據速率都比較低,在不需要通信時,節點可以進入很低功耗的休眠狀態,此時能耗可能只有正常工作狀態下的千分之一.由于一般情況下,休眠時間占總運行時間的大部分,有時正常工作的時間還不到百分之一,因此達到很高的節能效果.
  5.組網和路由性------網絡層特性
  zigbee大規模的組網能力--------每個網絡60000個節點
  bluetooth-------每個網絡8個節點.
  因為zigbee底層采用了直擴技術,如果采用非信標模式,網絡可以擴展得很大,因為不需同步而且節點加入網絡和重新加入網絡的過程很快,一般可以做到1秒以內,甚至更快.
  bluetooth通常需要3秒
  在路由方面,zigbee支持可靠性很高的網狀網的路由,所以可以布置范圍很廣的網絡,并支持多播和廣播特性,能夠給豐富的應用帶來有力的支持.

Zigbee的應用前景
  Zigbee 并不是用來與藍牙或者其他已經存在的標準競爭,它的目標定位于現存的系統還不能滿足其需求的特定的市場,它有著廣闊的應用前景。Zigbee 聯盟預言在未來的四到五年,每個家庭將擁有50 個Zigbee 器件,最后將達到每個家庭150 個。據估計,到2007 年,Zigbee 市場價值將達到數億美元。其應用領域主要包括:
  ◆家庭和樓宇網絡:空調系統的溫度控制、照明的自動控制、窗簾的自動控制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等;
  ◆工業控制:各種監控器、傳感器的自動化控制;
  ◆商業:智慧型標簽等;
  ◆公共場所:煙霧探測器等;
  ◆農業控制:收集各種土壤信息和氣候信息;
  ◆醫療:老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫療傳感器等。

ZigBee聯盟
  ZigBee聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織,成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、技術集成商以及最終使用者。聯盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性價比、低功耗的網絡應用規格。
  ZigBee聯盟的主要目標是以通過加入無線網絡功能,為消費者提供更富有彈性、更容易使用的電子產品。ZigBee技術能融入各類電子產品,應用范圍橫跨全球的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee這個標準化無線網絡平臺,設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。
  ZigBee聯盟所鎖定的焦點為制定網絡、安全和應用軟件層;提供不同產品的協調性及互通性測試規格;在世界各地推廣ZigBee品牌并爭取市場的關注;管理技術的發展。
  ZigBee聯盟對ZigBee標準的制定:IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數據鏈路層,標準已在2003年5月發布。ZigBee網絡層、加密層及應用描述層的制定也取得了較大的進展。V1.0版本已經發布。其他應用領域及其相關的設備描述也會陸續發布。由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞,而且IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議,因此ZigBee聯盟對其網絡層協議和API進行了標準化。完全協議用于一次可直接連接到一個設備的基本節點的4K字節或者作為Hub或路由器的協調器的32K字節。每個協調器可連接多達255個節點,而幾個協調器則可形成一個網絡,對路由傳輸的數目則沒有限制。ZigBee聯盟還開發了安全層,以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識,而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

 

2009-3-13

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