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Zigbee 技术资料搜集整理
一、Zigbee 技术
1、简介
在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许
多缺陷。对工业,家庭自动化控制和遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,
功耗大,距离近,组网规模太小等,„„而工业自动化对无线通信的需求越来越
强烈。正因此,经过人们长期努力,Zigbee 协议在 2003 年中通过后,于 2004
正式问世了。
ZigBee 技术是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设
备之间的无线通信技术。ZigBee 名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信
方式,蜜蜂通过跳 ZigZag 形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方
向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee 过去又称为“HomeRF
Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术,目前统一称为 Zigbee 技术。
2、ZigBee 是什么
ZigBee 是一个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平
台,十分类似现有的移动通信的 CDMA 网或 GSM 网,每一个 ZigBee 网络数传
模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;
每个网络节点间的距离可以从标准的 75 米,到扩展后的几百米,甚至几公里;
另外整个 ZigBee 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如,你可以通过
互联网在北京监控云南某地的一个 ZigBee 控制网络。
不同的是,ZigBee 网络主要是为自动化控制数据传输而建立,而移动通信
网主要是为语音通信而建立;每个移动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 网络节点不仅本身可以
与监控对对象,例如传感器连接直接进行数据采集和监控,它还可以自动中转别
的网络节点传过来的数据资料; 除此之外,每一个 ZigBee 网络节点(FFD)还
可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点
(RFD)无线连接。(建立基站成本低是个很大优势,便于小区组网)
每个 ZigBee 网络节点(FFD 和 RFD)可以可支持多到 31 个的传感器和受
控设备,每一个传感器和受控设备终可以有 8 种不同的接口方式。可以采集和传
输数字量和模拟量。
3、ZigBee 技术的特点
ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、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应用。
自从马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距
离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络( 3G)目的在于提
供多媒体无线服务,局域网范围内的标准从 IEEE802.11的 1Mbit/s 到 IEEE802.11g
的 54Mbit/s 的数据速率。而当前得到广泛研究的 ZigBee 技术则致力于提供一种
廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通
信技术。这种无线通信技术具有如下特点:
功耗低:工作模式情况下,ZigBee 技术传输速率低,传输数据量很小,因
此信号的收发时间很短,其次在非工作模式时,ZigBee 节点处于休眠模式。设
备搜索时延一般为 30ms,休眠激活时延为 15ms,活动设备信道接入时延为 15ms。
由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式,使得 ZigBee 节点非
常省电,ZigBee 节点的电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右。同时,由于
电池时间取决于很多因素,例如:电池种类、容量和应用场合, ZigBee 技术在
协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用,碱性电池可以使用数年,对于某
些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于 1%的情况,电池的寿命
甚至可以超过 10 年。
数据传输可靠:ZigBee 的媒体接入控制层(MAC 层)采用 talk-when-ready
的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时则立
刻传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,并进行确认信息回复,
若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,采用这种方法可以
提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,
避免了发送数据时的竞争和冲突。同时 ZigBee 针对时延敏感的应用做了优化,
通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。
网络容量大:ZigBee 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支
持简单器件。ZigBee 定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。
对全功能器件,要求它支持所有的 49 个基本参数。而对简化功能器件,在最小
配置时只要求它支持 38 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其
他全功能器件通话,可以按 3 种方式工作,分别为:个域网协调器、协调器或器
件。而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。一个 ZigBee
的网络最多包括有 255 个 ZigBee 网路节点,其中一个是主控(Master)设备,
其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整
个网络最多可以支持超过 64000 个 ZigBee 网路节点,再加上各个 Network
Coordinator 可互相连接,整个 ZigBee 网络节点的数目将十分可观。
兼容性: ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器
(Coordinator)自动建立网络,采用载波侦听/冲突检测(CSMA-CA)方式进行
信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。
安全性:Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三
级安全性。第一级实际是无安全方式,对于某种应用,如果安全并不重要或者上
层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级
安全级别,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这
一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准
(AES)的对称密码。AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件,
各个应用可以灵活确定其安全属性。
实现成本低:模块的初始成本估计在 6 美元左右,很快就能降到 1.5-2.5 美
元,且 Zigbee 协议免专利费用。目前低速低功率的 UWB 芯片组的价格至少为
20 美元。而 ZigBee 的价格目标仅为几美分。低成本对于 ZigBee 也是一个关键
的因素。
时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延
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)应用。
4、ZigBee 协议框架
Zigbee 是一组基于 IEEE 批准通过的 802.15.4 无线标准研制开发的组网、安
全和应用软件方面的技术标准。与其他无线标准如 802.11 或 802.16 不同,Zigbee
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