[科普中国]ZigBee技术

Zigbee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术,Zigbee过去又称为“HomeRFLite”和“FireFly”技术,目前统一称为Zigbee技术。1

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术,统称为ZigBee。

ZigBee是一个由可多到65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个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作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,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。

协议栈完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。3

以下为各层在Zigbee结构中的作用:

物理层:作为Zigbee协议结构的最低层,提供了最基础的服务,为上一层MAC层提供了服务,如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作用;

MAC层:负责不同设备之间无线数据链路的建立,维护,结束,确认的数据传送和接收;

网络/安全层:保证了数据的传输和完整性,同时可对数据进行加密;

应用/支持层:根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信;

其中,Zigbee协议架构最具特色的两项是:功耗以及自组网。

技术特点ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

(2)成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3)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。

(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

应用实例ZigBee模块是一种物联网无线数据终端,利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。该产品采用高性能的工业级ZigBee方案,提供SMT与DIP接口,可直接连接TTL接口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1mA;提供6路I/O,可实现数字量输入输出、脉冲输出;其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

应用设计

1.采用高性能工业级ZigBee芯片

2.低功耗设计,支持多级休眠和唤醒模式,最大限度降低功耗

3.电源输入(DC2.0~3.6V)

稳定可靠

1.WDT看门狗设计,保证系统稳定

2.提供TTL串行接口,SPI接口。

3.天线接口防雷保护(可选)

标准易用

1.采用2.0的SMA与DIP接口,特别适合于不同用户的应用需求。

2.提供TTL接口可直接连相同电压的TTL串口设备

3.智能型数据模块,上电即可进入数据传输状态

4.使用方便,灵活,多种工作模式选择

5.方便的系统配置和维护接口

6.支持串口软件升级和远程维护

1.支持ZigBee无线短距离数据传输功能

2.具备中继路由和终端设备功能

3.支持点对点、点对多点、对等和Mesh网络

4.网络容量大:65535个节点

5.节点类型灵活:中心节点、路由节点、终端节点可任意设置;

6.发送模式灵活:广播发送或目标地址发送模式可选

7.通信距离大

8.提供6路I/O,可实现6路数字量输入输出;兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能

自组织网ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事?举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。

而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

通信原因网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

路由方式所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中,路径的选择使用的是“梯度法”,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。

在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。

Zigbee联盟ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品,应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。

标准制定IEEE组织早在2003年就开始制定IEEE802.15.4标准并发布,2006年进行标准更新,最新针对智能电网应用制定了IEEE802.15.4g标准,针对工业控制应用制定了IEEE802.15.4e标准。IEEE802.15.4系列标准属于物理层和MAC层标准,由于IEEE组织在无线领域的影响力,以及TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名芯片厂商的推动,该标准已经成为无线传感器网络领域的事实标准,符合该标准的芯片已经在各个行业得到广泛应用。

2001年8月,ZigBeeAlliance成立。

2004年,ZigBeeV1.0诞生。它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误。

2006年,推出ZigBee2006,比较完善;

2007年底,ZigBeePRO推出;

2009年3月,zigbeeRF4CE推出,具备更强的灵活性和远程控制能力;

2009年开始,zigbee采用了IETF的IPv66Lowpan标准作为新一代智能电网SmartEnergy(SEP2.0)的标准,致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络,实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用,物联网感知层技术标准将逐渐由zigbee技术向IPv66Lowpan标准过渡。

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此外,国外的研究者也专门对6Lowpan和zigbee两种技术进行详细比较和分析,详见:ZigbeeVS6LowpanforSensorNetworks。

发展前景随着我国物联网正进入发展的快车道,ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee,ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询,提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中,基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器,遇到险情时,可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决,而且,使用简单方便,可靠性高。

据中国电信副总工程师靳东滨介绍,预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元,年复合增长率超过30%。智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外,工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉,2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长,将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及,其产业规模将远超互联网。

Zigbee的开发弥补了无线网络通信市场对低速、低功耗、低成本的需求,可是从实际使用频率上来看,相比Wifi和蓝牙依旧有着较大差距。但Zigbee的优势其它无线传输技术无可替代的,因此发展前景也十分广阔。

(1)从技术标准层面上来看,物联网技术的实现成为了必然的发展趋势,而Zigbee运用在物联网技术中将极大地推动物物之间用网络相连目标的实现,且于ZigbeeIPV6结合,将更好地提升它的低功耗、低成本的优势4。

(2)从应用范围来看,Zigbee将来完全可能应用在智能手机方面,由于Zigbee相较于蓝牙、Wifi而言的特有优势,将它运用于手机行业代替蓝牙、Wifi进行短距离传输,这将大大降低手机的功耗,提升手机的整体性能。

(3)对于中国市场而言,由于目前中国的无线网络市场还未成熟,应鼓励国内企业积极涉猎Zigbee技术的开发和应用,政府也应给予一定的政策支持,从而推进我国短距离无线传输技术的发展,缩小与发达国家之间的差距。

通信稳定性:国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折扣。当然,有些厂家会使用射频功放,对2.5G信号进行放大,但是这样会造成额外的辐射污染,同时也和ZIGBEE低功耗,节能的初衷背道而驰。

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1.Zigbee技术介绍Zigbee技术有可能使用在 868MHz/915MHz/2.4GHz,但到目前为止主要使用在2.4GHz band,使用扩频技术: - Frequency range: 2.4-2.4835GHz - Channels: 16 - Modulation: QPSK - Data rate: 250kbps - It’s stable / high security / robust / low energy consumption ...http://www.epintek.com/productview.asp?/204.html
2.ZigBee技术及应用ZigBee技术原理与实战 作者:杜军朝 ISBN:9787111480969 出版社:机械工业出版社 出版年:2015 物联网无线传感器网络技术与应用 :ZigBee版 作者:谢金龙 ISBN:9787115394408 出版社:人民邮电出版社 出版年:2016 基于ZigBee的智能精准农业系统关键技术研究及应用 作者:王航 出版年:2015 ZigBee技术开发 :Z-Stack协议栈原理...https://www.las.ac.cn/front/book/detail?id=1809de7ce5873adf4712090b466b708e
3.全面解读Zigbee技术–数智网Zigbee技术及应用 1.主要技术特点 Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的,可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术,亦包含寓意。 https://www.smartcn.cn/21981.html
4.zigbee技术的起源—剖析zigbee技术控制工程网zigbee技术的起源—剖析zigbee技术 线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。http://article.cechina.cn/_zigbee_technical_analysis1.htm
1.Zigbee技术Zigbee只有10~250kbps的数据传输速率,专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大容量的采集数据,仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。 * 2功耗 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,Zigbee的响应速度较快,一般从水面转入工作状态...https://blog.csdn.net/Silent_F/article/details/79028029
2.深入对比:ZigBee与蓝牙Mesh的组网能力稳定性与功耗ZigBee非常适合需要小规模带宽的低功耗设备。ZigBee网络在单个网络上最多支持65,000个节点。作为一项开放的全球标准,ZigBee还可在2.4 GHz、900 MHz和868 MHz的未授权频段上运行。目前最新的是ZigBee 3.0协议。 蓝牙Mesh相对较新,蓝牙技术联盟(SIG)于2017年发布了该标准,为用户提供了无需网关即可使用本地智能手机连接...https://www.toutiao.com/article/7433695353389548084/
3.什么是ZigBee技术?全国ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一...https://www.1633.com/ask/16701.html
4.Zigbee到底是什么技术?Zigbee技术揭秘通过使用Zigbee技术,各种智能设备(如智能灯具、智能插座、智能门锁等)可以无线连接并相互通信。Zigbee的低功耗和自组网能力使得智能家居设备可以长时间运行,并能够自动建立稳定的网络,提供便捷的智能控制和管理功能。用户可以通过智能手机或智能语音助手与Zigbee设备进行远程控制,实现灯光调节、电器开关、安防监控等功能,为...https://tech.hqew.com/news_3836305
5.zigbee技术的特点zigbee技术的特点 Zigbee是一种低功耗、短距离无线通信技术,最初设计用于物联网(IoT)应用。它基于IEEE 802.15.4标准,并在其基础上提供了一套网络协议和应用层框架。Zigbee技术具有许多独特的特点,使其在智能家居、工业自动化和能源管理等领域得到广泛应用。https://www.eefocus.com/e/1660972.html
6.zigbee技术优缺点有哪些?行业动态爱陆通带你一文了解Zigbee技术的优缺点,我们可能有很多人都知道这项技术的前身是 INTEL和 lBM在1998年推出的一项名为“Homerflite”的技术,而在中国,随着物联网技术的飞速发展, Zigbee也在逐渐被人们所接受。那么 zigbee技术的优缺点有哪些呢? ZigBee技术的优点: ...https://www.alotcer.com/industry/1915.html
7.zigbee技术原理介绍及技术特点1、成本:目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司,芯片其成本均在2~3美金左右,再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件,成本难以低于10美金,针对智能家居这种成本敏感而有需要大量节点的家用设备,其成本颇为尴尬。 2、通信稳定性:目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使...https://www.star-elink.com/news/1221.html