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十問(wèn)十答,通透了解ZigBee技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2014-11-13 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】對(duì)工業(yè),家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言,藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜,功耗大,距離近,組網(wǎng)規(guī)模太小。使得ZigBee技術(shù)站穩(wěn)了腳跟。但是并不是很多人都了解ZigBee技術(shù)。小編這里整理了關(guān)于ZigBee技術(shù)的十問(wèn)十答,讓你一目了然的了解它。
 
1、ZigBee起源什么技術(shù)
 
在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)程中,人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn),但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè),家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言,藍(lán)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(dòng)化,對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,而且,對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此,經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力,ZigBee協(xié)議在2003年中正式問(wèn)世了。另外,ZigBee使用了在它之前所研究過(guò)的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。
  
2、什么是ZigBee
  
首先ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)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(wú)線通信技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備中,同時(shí)支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)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(lái)形象地描述這種無(wú)線信息傳輸技術(shù)。
  
3、Zigbee技術(shù)有哪些特點(diǎn)
  
ZigBee的特點(diǎn)主要有以下八個(gè)方面:
  
(1)低功耗:在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時(shí);
  
(2)低成本:通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議降低成本(不足藍(lán)牙的1/10),也降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼,而且ZigBee的協(xié)議專(zhuān)利免費(fèi);
  
(3)低速率:ZigBee工作在250kbps的通訊速率,滿(mǎn)足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求;
  
(4)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(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn);
  
(5)短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s;
  
(6)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng);
  
(7)高安全:ZigBee提供了三級(jí)安全模式,包括無(wú)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱(chēng)密碼,以靈活確定其安全屬性;
  
(8)免執(zhí)照頻段:采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)頻段。
  
4、為什么說(shuō)ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸日益增長(zhǎng)的需求而產(chǎn)生的
  
ZigBee技術(shù)本身,就是因?yàn)樘m牙技術(shù)不能滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化中,對(duì)低數(shù)據(jù)量、低成本、低功耗、高可靠性的無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因?yàn)?,?duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的,并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。ZigBee技術(shù)中,使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),自動(dòng)路由,動(dòng)態(tài)組網(wǎng),直序擴(kuò)頻的方式,就是為了滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)的這種需要。
  
5、ZigBee使用那種協(xié)議
  
ZigBee使用IEEE802.15.4協(xié)議,這是一種低傳送速率的無(wú)限PAN的協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)化方面,IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議,其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn),高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。
  
目前IEEE所制訂的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)WPAN大致有四:
  
1)IEEE 802.15.1Bluetooth,藍(lán)芽v1.1;
  
2)IEEE 802.15.2Bluetooth,藍(lán)芽補(bǔ)充規(guī)范,降低與WiFi同范疇內(nèi)運(yùn)用時(shí)的相互干擾問(wèn)題;
  
3)IEEE 802.15.3WiMEDIA,標(biāo)準(zhǔn)速、高速WPAN;IEEE 802.15.3a UWB,高速WPAN;
  
4)IEEE 802.15.4ZigBee,低速WPAN (又稱(chēng)WSAN, S代表Sensor)。
  
6、為什么ZigBee無(wú)線通信使用2.4G頻段是免費(fèi)頻段
  
在我國(guó)和世界上大多數(shù)其他國(guó)家,一般使用無(wú)線電設(shè)備都是要付頻率使用費(fèi)的,包括手機(jī)通信,只不過(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)向國(guó)家支付了這筆費(fèi)用,并通過(guò)號(hào)碼占用費(fèi)等方式向用戶(hù)收取了這筆費(fèi)用。在使用其它無(wú)線設(shè)備時(shí),你首先要向國(guó)家相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)頻率使用許可,然后根據(jù)你的無(wú)線設(shè)備所使用的頻率,功率大小和數(shù)量收取費(fèi)用。這是一筆不小的費(fèi)用,一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費(fèi)用。
  
而免費(fèi)頻段,是指各個(gè)國(guó)家根據(jù)各自的實(shí)際情況,并考慮盡可能與世界其他國(guó)家規(guī)定的一致性,而劃分出來(lái)的一個(gè)頻段,專(zhuān)門(mén)用于工業(yè),醫(yī)療以及科學(xué)研究使用(ISM頻段),不需申請(qǐng)而可以免費(fèi)使用的頻段。我們國(guó)家的2.4G頻段,就是這樣一個(gè)頻段。然而,為了保證大家都可以合理使用,國(guó)家對(duì)該頻段內(nèi)的無(wú)線收發(fā)設(shè)備,在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制,例如在城市環(huán)境下,發(fā)射功率不能超過(guò)100mW。
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7、ZigBee僅適合近距離通信嗎
  
ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過(guò)提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),而且還可以通過(guò)傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠(yuǎn)的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。
  
但是,在進(jìn)行擴(kuò)張要注意的是:
  
1)隨著發(fā)射功率的增加,耗電量自然要增大,只要求耗電也大,便會(huì)失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢(shì);
  
2)盡管2.4Ghz是免費(fèi)頻段,但是不能超過(guò)電波法中對(duì)于最大功率的限制。
  
8、ZigBee采用直序擴(kuò)頻的通信方式有什么好處
  
同樣的頻段,采用不同的通信方式則結(jié)果也許會(huì)有很大的差別,例如ASK、FSK、FHSS、DSSS等抗干擾能力,通信安全保密性,可靠性都各不相同。ZigBee系統(tǒng)和CDMA系統(tǒng)一樣,都采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS),它是一種抗干擾能力極強(qiáng),保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過(guò)這兩種技術(shù)的通信產(chǎn)品,你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者在可靠性上不同凡響。
  
由于擴(kuò)頻技術(shù)在正常通信時(shí)所要求的信噪比可以很低,就是說(shuō),在干擾很強(qiáng)的環(huán)境下,它仍然能夠正常工作。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn),這相當(dāng)于接收靈敏度提高了7dBm,也不容易干擾別人。換句話說(shuō),它可以使用較低的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離。
  
9、ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺(tái)的比較有哪些特點(diǎn)
  
其優(yōu)點(diǎn)如下:
  
(1)可靠性高:由于ZigBee模塊的集成度遠(yuǎn)比一般數(shù)傳電臺(tái)高,分離元器件少,因而可靠性更高;
  
(2)使用方便安全:因?yàn)榧啥雀?,比起一般?shù)傳電臺(tái)來(lái),ZigBee收法模塊體積可以做得很小,而且功耗低,最大發(fā)射電流比一個(gè)CDMA手機(jī)還要小許多,因而很容易集成或直接安放在到設(shè)備之中,不僅使用方便,而且在戶(hù)外攜帶使用時(shí)不容易受到損壞;
  
(3)抗干擾力強(qiáng),保密性好,誤碼率低:ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴(kuò)頻技術(shù),比起一般FSK,ASK和跳頻的數(shù)傳電臺(tái)來(lái),具有更好的抗干擾能力,和更遠(yuǎn)的傳輸距離;
  
(4)免費(fèi)頻段:ZigBee使用的是免費(fèi)頻段,而許多數(shù)傳電臺(tái)所使用的頻段不僅需要申請(qǐng),而且每年都需要向國(guó)家無(wú)委會(huì)交納相當(dāng)?shù)念l率使用費(fèi);
  
(5)價(jià)格低:ZigBee數(shù)傳模塊的價(jià)格只有具有類(lèi)似功能的數(shù)傳電臺(tái)的幾分之一。
  
10、ZigBee是具有怎樣的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)
  
簡(jiǎn)單的說(shuō),ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò),ZigBee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里,并且支持無(wú)線擴(kuò)展。
  
ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米,到擴(kuò)展后的幾百米,甚至幾公里。
  
與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是,ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,因而,它必須具有簡(jiǎn)單,使用方便,工作可靠,價(jià)格低的特點(diǎn)。而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立,每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上,而每個(gè)ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象,例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)
  
除此之外,每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi),和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以支持多達(dá)31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備,每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式??梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。
 
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