Zigbee無線通訊技術(shù)

來源：博觀科技日期：2024-01-29 09:34:13

什么是ZigBee？ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。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和遠近信息的，也就是蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種無線信息傳輸技術(shù)。

ZigBee無線通信技術(shù)

一、ZigBee技術(shù)的起源與發(fā)展

在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍牙，在藍牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們的長期努力， Zigbee協(xié)議在2003年于美國正式問世了。

二、ZigBee的技術(shù)原理

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(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如，你可以通過互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。

三、ZigBee技術(shù)的特點

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下藍牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時；
低成本：通過大幅簡化協(xié)議是成本很低（不足藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費；
低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；
近距離：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠；
短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s；
高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng)；
高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性；
免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)頻段。

四、ZigBee的技術(shù)應(yīng)用

作為一種低速率的短距離無線通信技術(shù)，ZigBee有其自身的特點，因此有為它量身定做的應(yīng)用，盡管在某些應(yīng)用方面可能和其他技術(shù)重疊。ZigBee可能的一些應(yīng)用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動抄表、醫(yī)療監(jiān)護和傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

智能家居

ZigBee技術(shù)可以把家里很多電器和電子設(shè)備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調(diào)、煙霧感應(yīng)、報警器和攝像頭等設(shè)備都聯(lián)系起來，組成一個網(wǎng)絡(luò)，甚至可以通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet，這樣用戶就可以在任何地方監(jiān)控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。

工業(yè)控制

工廠環(huán)境當(dāng)中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控，加強作業(yè)管理，降低成本。

自動抄表

現(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用于這個領(lǐng)域，利用傳感器把表的讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶，或者和節(jié)能相結(jié)合，當(dāng)發(fā)現(xiàn)能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。

醫(yī)療監(jiān)護

電子醫(yī)療監(jiān)護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監(jiān)測健康狀況，還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時對人的身體狀況進行監(jiān)測，一旦發(fā)生問題，可以及時做出反應(yīng)，比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報警器，可以通過ZigBee技術(shù)組成一個監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)，由于是無線技術(shù)，傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護的人也可以比較自由的行動，非常方便。

傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

傳感器網(wǎng)絡(luò)也是最近的一個研究熱點，像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測、環(huán)境保護等方面都有很好的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點低成本、低功耗，并且能夠自動組網(wǎng)、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個很好的技術(shù)選擇。