你想知道的有关Zigbee的知识都在这儿了!

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在智能硬件和物联网领域,时下大名鼎鼎的ZigBee可谓是无人不知,无人不晓。作为除了WiFi、蓝牙之外,ZigBee是目前最重要的无线通信协议之一,主要应用于物联网和智能硬件等领域。关于ZigBee,下文采用问答形式向你详细地介绍了方方面面,不夸口的说,你所需要知道的关于 ZigBee的一切,在这里基本可以了解到!

 

一、起源历史篇

 

1 ZigBee起源什么技术?

 

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,家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言,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,对无线数据通信的需求越来越强烈,而且,对于工业现场,这种无线数据传输必需是高可靠的,并能抵抗工业现 场的各种电磁干扰。因此,经过人们长期努力,ZigBee协议在2003年中正式问世了。另外,ZigBee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

 

2 什么是ZigBee?

 

首先ZigBee的Mac层、PHY层是 IEEE802.15.4协议的。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动 控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉 所在方位和远近信息的,也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”,因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种 无线信息传输技术。

 

3 ZigBee技术有哪些特点?

 

ZigBee的特点主要有以下几个方面:

 

(1)低功耗:在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月,甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时;

 

(2)低成本:通过大幅简化协议是成本很低(不足蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且ZigBee的协议专利免费;

 

(3)低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率,满足低速率传输数据的应用需求;

 

(4)近距离:传输范围一般介于10~100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远;

 

(5)短时延:ZigBee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s;

 

(6)高容量:ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网;

 

(7)高安全:ZigBee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性;

 

(8)免执照频段:使用工业科学医疗(ISM)频段,915MHz(美国),868MHz(欧洲),2.4GHz(全球)。

 

由于此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为0.6MHz, 2MHz和5MHz。分别有1个, 10个和16个信道。这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。扩频都使用直接序列扩频(DSSS),但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术,但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK,而2.4GHz频段采用的是OQPSK。

 

在发射功率为0dBm的情况下,蓝牙通常能有10米的作用范围。而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离,在室外空旷地带甚至可以达到400米(TI CC2530不加功率放大)。

 

所以,ZigBee可归为低速率的短距离无线通信技术。

 

4 为什么说ZigBee是顺应工业自动化对可靠的无线数据传输日益增长的需求而产生的?

 

ZigBee 技术本身,就是因为兰牙技术不能满足工业自动化中,对低数据量,低成本,低功耗,高可靠性的无线数据通信的需求而产生的。因为,对于工业现场,这种无线数 据传输必需是高可靠的,并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。ZigBee技术中,使用网状网拓扑结构,自动路由,动态组网,直序扩频的方式。就是为了满足工 业自动化控制现场的这种需要。

 

二、通信技术篇

 

1 ZigBee使用那种协议?

 

IEEE802.15.4协议,这是一种低传送速率的无限PAN的协议。在标准化方面,IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。

 

2 为什么ZigBee无线通信使用2.4G频段是免费频段?

 

在我国和世界上大多数其他国家,一般使用无线电设备都是要付频率使用费的,包括手机通信,只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用,并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时,你首先要向国家相关部门申请频率使用许可,然后根据你的无线设备所使用的频率,功率大小和数量收取费用。 这是一笔不小的费用,一般设备一年往往要交纳几千元的费用。而免费频段,是指各个国家根据各自的实际情况,并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性,而划 分出来的一个频段,专门用于工业,医疗以及科学研究使用(ISM频段),不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段,就是这样一个频段。然而,为了保证大家都可以合理使用,国家对该频段内的无线收发设备,在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下,发射功率不能超过 100mW。

 

3 ZigBee仅适合近距离通信吗?

 

ZigBee局域网络不仅可以通过提高每个节点模块的发射功率和接收灵敏度以及增加节点数量来扩展网络,而且还可以通过传统的互联网去监控路途遥远的ZigBee控制网络。但是,在进行扩张要注意的是:

 

(1)随着发射功率的增加,耗电量自然要增大,只要求耗电也大,便会失去ZigBee本身电能消耗很低的优势;

 

(2)尽管2.4Ghz是免费频段,但是不能超过电波法中对于最大功率的限制。

 

4 ZigBee采用直序扩频的通信方式有什么好处?

 

同样的频段,采用不同的通信方式则结果也许会有很大的差别,例如ASK,FSK,FHSS,DSSS等的抗干扰能力,通信安全保密性,可靠性都各不相同。 ZigBee系统和CDMA系统一样,都采用的是直序扩频技术(DSSS),它是一种抗干扰能力极强,保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用过这两种技术的通信产品,你会发现两者在可靠性上不同凡响。

 

由于扩频技术在正常通信时所要求的信噪比可以很低,也就是说,在干扰很强的环境下,它仍然能够正常工作。根据计算和实验,这相当于接收灵敏度提高了7dBm。它也不容易干扰别人。换句话说,它可以使用较低的功率传输更远的距离。下面引用扩频技术优越性有关的一些资料供参考:

 

CDMA 是继世界上推出数字通信技术之后,1995年又推出的一种新型数字蜂窝技术,它利用数字传输方法,采用扩频通信技术,大幅度地提高了频率利用率,具有容量 大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点,将移动通信技术推向发展新阶段。CDMA(码分多址连接)蜂窝系统与FDMA(频分多址连接)和 TDMA(时分多址连接)系统相比,CDMA系统具有以下突出优点:

 

(1)抗干扰性能好由于CDMA 经过扩频处理,故抗干扰性能好,可和同频带的窄带共存,而不影响其正常工作。

 

(2) 抗多径衰落能力强多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题,通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服,还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用 多径信号提供路径分集,这样不但缓和瑞利衰落,而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落,从而大大提高通信质量。

 

(3)系统容量增大对于FDMA与TDMA,若小区的频点或时隙一 分配完,则小区就不能接收新的呼叫,容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统,在指定的干扰电平下,即使用户数已达到限定数目时,也还允许增加个别用 户,其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比 要求,而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍,CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍,是TACS的 11.2倍,是AMPS的13.6倍,是FM/FDMA方式的20倍。

 

(4)通信质量好CDMA系统采用直接序列扩频技 术,综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应,可以获得很强的抗干扰能力,加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切 换技术,保证了CDMA的通信质量,特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比,波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音 和数据传输。

 

(5)频率利用率高CDMA系统的同一频率,可以在所有小区内重复使用,其频率复用率为2/3(FDMA和TDMA的频率复用率为1/7),不需要FDMA和TDMA那样进行频率配置,大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。

 

(6) 多址能力强CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小,它与使用的扩频编码方案有关,与同时发送信号的用户间的多址干扰(即扩频编码的相关特性) 有关,与允许的接收质量有关(输出信噪比),因此同时工作用户间的多址干扰越低,能允许的接收质量越低,CDMA技术的多址能力就越强。

 

(7) 高度可靠的保密安全性CDMA移动通信系统是一个保密通信系统,若再加一定的加密算法技术,能大大提高通信保密性能,这是FDMA、TDMA系统所无法比 拟的。分析其采用的扩频系统,要想截获别人的通信内容几乎是不可能的,如只要机内锂电池不放完电,它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态, 即使是连续工作,它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等,使通信的保密性更 为可靠。

 

(8)手机功耗小CDMA采用功率控制后,仅在衰落期间调高发射功率电平,从而使平均发射功率减小,FDMA的 最小功率为5mW、平均发射功率为794 mW、峰值功率为3W,而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5 mW、 峰值功率为100mW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低,从而使系统容量增加,减少了小区数和降低设备成本。

 

5 ZigBee与现有数传电台的比较有哪些特点?

 

其优点如下:

 

(1) 可靠性高:由于ZigBee模块的集成度远比一般数传电台高,分离元器件少,因而可靠性更高;

 

(2) 使用方便安全:因为集成度高,比起一般数传电台来,ZigBee收法模块体积可以做得很小,而且功耗低,最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多,因而很容易集成或直接安放在到设备之中,不仅使用方便,而且在户外携带使用时不容易受到损坏;

 

(3) 抗干扰力强,保密性好,误码率低:ZigBee收发模块使用的是2.4G 直序扩频技术,比起一般FSK,ASK和跳频的数传电台来,具有更好的抗干扰能力,和更远的传输距离;

 

(4) 免费频段:ZigBee使用的是免费频段,而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请,而且每年都需要向国家无委会交纳相当的频率使用费;

 

(5) 价格低: ZigBee数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一。

 

6 为什么ZIGBEE的抗干扰性能高于Wi-Fi和蓝牙技术?

 

摩尔实验室(MORLAB)经过近段时间对ZigBee技术的研究及相关测试实践总结出如下几点,这也是ZigBee产品抗干扰能力强的主要原因。

 

ZigBee抗干扰特性主要是抗同频干扰,即来自共用相同频段的其他技术的干扰。主要特性如下:

 

1、 空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA):

 

判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制中提供CCA的能力,即如果信道被其他设备占用,则允许传输退出而不必考虑采用该信道的通信协议。

 

现主要有3种空闲信道评估模式:

 

(1)判断信道的信号能量,若信号能量低于某一个门限量,则认为信道空闲;

 

(2)判断无线信道的特征,这特征主要包括两方面,即扩频信号和载波频率;

 

(3)综合前两种模式,同时检测信号强度和信号特征,给出信道空闲判断。

 

2、 动态信道选择:

 

ZigBee 个人区域网(PAN)中的协调器(网络的中心节点,负责网络的组织和维护)。首先要扫描所有的信道,然后确认并加入一个合适的PAN(不需要创建一个新的PAN),减少同频段PAN的数量,降低潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上,协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

 

3、 信道算法:

 

在网络初始化或者响应中断时,ZigBee 设备都会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道,以便进行动态信道选择,按照上述空闲信道来设置信道表参数,以便加强网络的共存性能。

 

在严重干扰期间,ZigBee不改变信道,而是依靠其低占空比、免冲突算法(每个设备在发送数据之前侦听信道)来减小由于传输冲突所造成的数据丢失。

 

4、 直序扩频技术(DSSS) 和频率快变FA:

 

直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果(如下图所示),在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术(发射功率为0dBm的情况下,Bluetooth有10m作用范围,而ZigBee在室内能达到30——50m作用范围)。所谓频率快变是改变频率、以避开一个已知干扰源或信号源的影响。

 

由上图可见,ZigBee的误码率在信噪比为4dB的情况下可达10-9 ,要达到同样误码率,Wi-Fi要达 10dB,蓝牙高达16dB, ZIGBEE的抗干扰性能明显高于Wi-Fi和蓝牙技术。

 

5、应答重传和帧缓存:

 

ZigBee的MAC层和应用层(APS部分)具有自动请求重传ARQ和帧缓存功能。当传送数据帧给设备时,如果接收设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧,那么网络的主协调设备就暂时缓存该帧,直到接收端接收该帧。

 

虽然调制方式很简单,但ZigBee在2.4GHz ISM频段表现出了很好的抗干扰性能,非常适合于低功耗、低数据传输的应用场合。目前ZiBee产品在CE认证中主要采用的测试标准为EN300328、而在FCC中则主要采用Part 15C的测试。

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