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zigbee阅读:11001

  Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块无线数传模块 的供应商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GSMGSM 的供应商网,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。每个Zigbee网络节点(FFD和RFD)可以可支持多到31个的传感器传感器 的供应商和受控设备,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。

基本技术问答

  1.基础知识篇

  Q1-1 ZigBee起源什么技术?

  A: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。

  Q1-2:什么是ZigBee?

  A: 首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。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。

  Q1-3:ZigBee技术有哪些特点?

  A: 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:采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)频段。

  Q1-4: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?

  A: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。

  2.通信技术篇

  Q2-1: ZigBee使用那种协议?

  A: 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。

  Q2-2:为什么ZigBee无线通信使用2,4G频段是免费频段?

  A: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。

  Q2-3:ZigBee仅适合近距离通信吗?

  A: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。

  Q2-4:ZigBee采用直序扩频的通信方式有什么好处?

  A: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,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。

  Q2-5:ZigBee与现有数传电台的比较有哪些特点?

  A: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。

  3. 网络技术篇

  Q3-1:ZigBee是具有怎样的无线数据传输网络?

  A:简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络,ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里,并且支持无线扩展。

  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。

  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。

  每个ZigBee网络节点(FFD和RFD)可以支持多达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。

  Q3-2:ZigBee所采用的自组织网是怎么回事?

  A: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。他们预先无法判断谁雨,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。

  Q3-3:ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信?

  A: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。

  Q3-4:为什么自组织网要采用动态路由的方式?

  A: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。动态路由结合网状网拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。

  Q3-5:ZigBee 和现有的通信移动网(GPRS,CDMA-1X)比较有哪些特点?

  A: 其特点为:

  (1) 无网络使用费:使用移动网需要长期支付网络使用费,而且是按节点终端的数量计算的,而ZigBee没有这笔费用;

  (2) 设备投入低:使用移动网需要购买移动终端设备,每个终端的价格在人民币1000元上下,而使用ZigBee网络,不仅ZigBee网络节点模块(相当于基站)费用每只人民币不到1000元,而且,主要使用的网络子节点(相当于手机)的价格还要低得多;

  (3) 通信更可靠:由于现有移动网主要是为手机通信而设计的,尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信,但实践发现,不仅通信速率比设计速率低很多,而且数据通信的可靠信、连续性在许多情况下也得不到保证。而ZigBee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证;

  (4) 高度的灵活性和低成本:首先,通过使用覆盖距离不同,功能不同的ZigBee网络节点,以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块,建立起一个ZigBee局部自动化控制网,再通过互联网或移动网与远端的计算机相连,从而实现低成本,高效率的工业自动化遥测遥控;

  (5) 比起现有的移动通信网来,尽管ZigBee仅仅只是一个局域网,但通过供足够的数据出口,它可以“无限”扩大它的覆盖范围,而且可以与现有的移动网,互联网和其它通信网络相连接。并通过这些网络将许多个ZigBee局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题:我们知道,现有移动网络在许多地方存在盲区,特别是铁路,公路,油田,矿山等野外,更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的,此时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不仅经济有效,而且往往是现在唯一可行手段。

  Q3-6:ZigBee怎样实现远距离遥测遥控?

  A:ZigBee 网络还可以通过接口卡等多种方式,与互联网,GPRS网,CDMA1x网以及其它通信系统线连接,从而实现远程操控。你也可以通过其它网络,将两个或多个局部ZigBee 网络连接在一起。

  4 .市场应用篇

  Q4-1:ZigBee技术有哪些应用领域?

  A:ZigBee技术的目标就是针对,工业,家庭自动化,遥测遥控,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。

  Q4-2:ZigBee实现了哪些工业现场对无线数据传输的要求?

  A:要求低功耗,低数据量(250KPS),低成本,使用免费的ISM频段(2.4G),高的抗干扰性能的直序扩频通信方式(DSSS),高保密性(64位出厂编号和支持AES-128加密),高集成度和高的可靠性;节点模块之间具有自动动态组网的功能,采用了包括网状网在内的拓扑结构,使用了碰撞避免机制,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性。

  Q4-3:ZigBee可以在哪些方面拓展应用?

  A:ZigBee应用:其范围非常广泛,可以针对工业自动化、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。实际应用举例如下:照明控制、环境控制、自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒及万能遥控器、暖气控制、家庭安防、工业和楼宇自动化。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

  Q4-4:凡符合什么条件的短距离通信就可以考虑采用ZigBee技术?

  A:通常,符合如下条件之一的短距离通信就可以考虑应用ZigBee:

  (1)需要数据采集或监控的网点多;

  (2)要求传输的数据量不大,而要求设备成本低;

  (3)要求数据传输可靠性高,安全性高;

  (4)要求设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;

  (5)可以用电池供电;

  (6)地形复杂,监测点多,需要较大的网络覆盖;

  (7)对于那些现有的移动网络的盲区进行覆盖;

  (8)已经使用了现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。

  Q4-5:ZigBee技术在我国的应用情况怎样?

  A: 尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这项新技术,而且也有不少企业开始涉足ZigBee技术的开发,然而,考虑到ZigBee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须用网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起,所以对于初期开发的企业来说具有一定的技术难度。由于各方面的制约,ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日。但是目前已经展示出了非凡的应用价值,相信随着相关技术的发展和推进,一定会得到更大的应用。但是,我们还应该清楚的认识到,基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展,它的技术、应用都还远远谈不上成熟,国内企业应该抓住商机,加大投入力度,推动整个行业的发展。

  5. ZigBee联盟

  Q5-1 ZigBee联盟的使命是什么?

  A:ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成员包括国际着名半导体生产商、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。

  Q5-2 ZigBee联盟的目标是什么?

  A: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。

  Q5-3 ZigBee联盟所锁定的焦点是什么?

  A:其焦点为制定网络、安全和应用软件层;提供不同产品的协调性及互通性测试规格;在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注;管理技术的发展。

  Q5-3 ZigBee联盟在标准上所做的工作是什么?

  A:ZigBee标准的制定:IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层,标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词,而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

  ZigBee联盟强调设备的互通性:很多近距离电子产品嵌入了ZigBee模块都已具有ZigBee功能,还有许多各种产品预留了ZigBee的接口以备日后随时升级。各类网关产品的开发也得到进一步开发,网关产品支持ZigBee系统与家居控制网络、智能建筑网络及商用网络等现有的设施互联等。

无线技术

  1.ZigBee技术概述

  ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术,其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准,网络层和安全层由ZigBee联盟制定,应用层的开发应用根据用户的应用需要,对其进行开发利用,因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

  根据IEEE 802.15.4协议标准,ZigBee的工作频段分为3个频段,这3个工作频段相距较大,而且在各频段上的信道数据不同,因而,在该项技术标准中,各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为868MHz,915MHz和2.4GHz,其中2.4GHz频段上分为16个信道,该频段为全球通用的工业、科学、医学(indus-trial,scientific and medical,ISM)频段,该频段为免付费、免申请的无线电频段,在该频段上,数据传输速率为250Kb/s;另外两个频段为915/868MHz,其相应的信道个数分别为10个和1个,传输速率分别为40Kb/s和ZOKb/s,868MHz和915MHz无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控(BPSK)调制技术。2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控(O-QPSK)。

  在组网性能上,ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络,在每一个ZigBee组成的无线网络中,连接地址码分为16b短地址或者64b长地址,可容纳的最大设各个数分别为216和264个,具有较大的网络容量。

  在无线通信技术上,采用CSMA-CA方式,有效地避免了无线电载波之间的冲突,此外,为保证传输数据的可靠性,建立了完整的应答通信协议。

  ZigBee设备为低功耗设各,其发射输出为0~3.6dBm,通信距离为30~70m,具有能量检测和链路质量指示能力,根据这些检测结果,设各可以自动调整设各的发射功率,在保证通信链路质量的条件下,最小地消耗设各能量。

  为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性,ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法,对所传输的数据信息进行加密处理。

  2. ZigBee技术特J点

  ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设各使用的极低复杂度、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:

  (1)数据传输速率低

  只有10~250Kb/s,专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据,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,耗电量仅仅只有1μW。设各搜索时延一般为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接人时延为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设各非常省电,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t%的情况,电池的寿命甚至可以超过1年。

  (3)数据传输可靠

  ZigBee的介质链路层(以MAC层)采用CSMA-CA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竟争和冲突。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。

  (4)网络容量大

  ZigBee的低速率、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)。网络协调器(coordinator)是一种全功能器件,而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络,整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点,再加上各个网络协调器可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

  (5)自动动态组网、自主路由

  无线传感器网络是动态变化的,无论是节点的能量耗尽,或者节点被敌人俘获,都能使节点退出网络,而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加人新的传感器节点。

  (6)兼容性

  ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络,采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。

  (7)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,器件可以使用接人控制清单(ACL)来防止非法器仵获取数据。

  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。

  (8)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。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点,如果不能严格地控制节点的成本,那么网络的规模必将受到严重的制约,从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。

  3.ZigBee协议栈结构

  ZigBee技术的协议栈结构很简单,不像诸如蓝牙和其他网络结构,这些网络结构通常分为7层,而ZigBee技术仅分为4层,如图所示。

ZigBee协议栈

  图 ZigBee协议栈

  在ZigBee技术中,PHY层和MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准,其中,PHY层提供了两种类型的服务:即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。

  PHY层的特征是启动和关闭无线收发器,能量监测,链路质量,信道选择,清除信道评估,以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。同样,MAC层也提供了两种类型的服务:通过MAC层管理实体服务接人点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元

  MAC层的具体特征是:信标管理,信道接入,时隙管理,发送确认帧,发送连接及断开连接请求。除此以外,MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。

  ZigBee技术的网络/安全层主要用于ZigBee的WPAN的组网连接、数据管理以及网络安全等;应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等,以便对ZigBee技术进行开发应用。

  根据ZigBee Alliance的观点,一般家庭可将ZigBee应用于以下装置:

  ①空调系统的温度控制器,灯光、窗帘的自动控制。

  ②老年人与行动不便者的紧急呼叫器。

  ③电视与音响的万用遥控器,无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具。

  ④烟雾侦测器。

  ⑤智慧型标签。

定位解决方案

  设想一下,您冲进购物中心,急切地想为您的另一半选购他(她)称心如意的生日礼物。在这种情况下,该从何下手?您会很自然地掏出手机或 PDA 来选择选购生日礼物的最佳方案。此时,您的移动手持终端设备将显示出购物中心的导购图,并在图上标明您需前往的采购区。当您在购物中心转悠时,移动手持终端设备上将显示出您可能会感兴趣的商品。

  当今的射频 (RF) 技术有望使上述设想成为现实。TI ZigBee RF 设备中内嵌的定位引擎可以与室内 GPS 系统相媲美,其内嵌的定位引擎使用 ZigBee 网络的 RF 基础设施来计算事物或人们所处的位置。与 GPS 相比较而言,定位引擎在单芯片 RF 收发器中与 MCU 集成在一起,成本也不及 GPS 硬件的十分之一,功耗也只是 GPS 硬件的一小部分。该定位引擎既可用于室内,也可用于室外,而且只要有现成的 ZigBee 网络,就无需安装移动的接收天线。

  典型的应用包括:

  遥控开/关房屋中所有房间的灯具;

  跟踪码头仓库的集装箱起运情况;

  跟踪网站的设备。

  另外,当新设备接入网络时,该定位引擎能够确定其物理位置,因此定位引擎还能用于简化无线网络的设置。

  后台设备

  大多数的无线传感器网络都要求具备一种确定网络节点位置的方法。因此在设备安装期间,您需要弄清楚哪些节点相互之间直接进行数据交换,或者确定哪些节点直接与中央数据采集点进行数据交换。

  当通过基于软件的计算方法来确定网络节点位置时,我们就会考虑到市场化解决方案 (market solution)。这些具体的计算方法是:节点首先读取计算节点位置的参数,然后将相关信息传送到中央数据采集点对节点位置进行计算,最后,又将节点位置的有关参数传回至该节点。这就是典型的数据密集型计算,并且需要配置一台 PC 或高性能的 MCU。

  这种计算节点位置的方法之所以只适用于小型的网络和有限的节点数量,是因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因此,高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在以电池供电的网络中的应用。

  针对上述问题,CC2431 采用了一种分布式定位计算方法。这种计算方法根据从距离最近的参考节点(其位置是已知的)接收到的信息,对节点进行本地计算,确定相关节点的位置。因此,网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外,由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增,因此, CC2431 还允许同一网络中存在大量的待测节点。

  本文中所提供的结果是根据对 ZigBee 网络的测量得出的,然而,这些测量结果同样适用于基于 IEEE 802.15.4.构建的更简单的网络。

  定位引擎技术

  定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示 (RSSI),计算所需定位的位置。在不同的环境中,两个射频之间的 RSSI 信号会发生明显的变化。例如,当两个射频之间有一位行人时,接收信号将会降低 30dBm。为了补偿这种大的差异以及出于对定位结果精确性方面的考虑,定位引擎将根据来自多达 16 个射频的 RSSI 值,开展有关的定位计算。其依据的理论是:当采用大量的节点后,RSSI 的变化最终将达到平均值。

  在 RF 网络中,具有已知位置的定位引擎射频称为参考节点,而需要计算定位位置的节点称为待测节点。

  要求在参考节点和待测节点之间传输的唯一信息就是参考节点的 X 和 Y 坐标。定位引擎根据接收到的 X 和 Y 坐标,并结合根据参考节点的数据测量得出的 RSSI 值,计算位置进行定位。

  将定位技术纳入网络协议

  一些采用定位引擎的应用可能要求,放置若干个参考节点作为基础设施设置不可或缺的一部分。ZigBee 技术能够实现对家庭、办公以及工业等应用的无线控制。人们期望,随着 ZigBee 设备在楼宇基础设施中的安装数量不断增多,ZigBee 将会在家庭和办公自动化方面拥有更为广阔的应用前景。

  典型的办公场所都会配置 ZigBee 设备,通过各办公室和会议室中的温度传感器,控制温度调节装置以及 A/C 导管。同时,每个房间还会安装由  ZigBee 控制的灯具开关和设备,而这些设备又易于作为定位引擎的参考节点。将 ZigBee 射频作为 ZigBee 协议栈上的参考节点所需的代码容量通常小于 1 Kb。

  定位引擎从 3 至 16 个参考节点采集数据,并使用这些数据对应定位的位置进行计算。如果定位引擎从 16 个以上的节点接收到数据时,它则会将接收到的参考节点位置进行分类,然后采用 16 个参 考节点中信号最强的 RSSI 值。

“掌”控无线生活

  “索诺马溪谷,气温急剧上升。但这家位于吉克庄园的葡萄酒商正在通过每棵葡萄树上的小型无线Zigbee传感器密切地监控自己的田地。这些一枚硬币大小的机器 可以跟踪土壤的温度和营养成分等数据。它们利用卫星无线发射机相互连接。”当解释Zigbee无线技术是怎样改变我们生活的时候,《商业周刊》如是描述。 然而事实或许更加美妙。 尽管21世纪的人们并没有实现科幻小说中 的某些预言。然而更为奇妙的场景很快便会成为现实:只需一台电脑,一切尽在掌控之中。你可以一边从个人pc中调控欣赏在平面电视上播放的影片,一边控制烤 箱的温度,等待享受美味的下午茶,同时密切地监控与了解一切需要关注的信息:工作室里机器的运行,实验室里研究的进度,家中饮用水的成分和空气中或许可能 出现有毒物质的示警,酒窖里不同位置的温度与湿度,私家公路的灯光调控,各类仪表的数据变更……不会再有过火而败味的美食,更不会有《小鬼当家》中入室的 匪徒,火灾和毒气泄漏都将最大程度地被防止,博物馆的馆长则不再担惊受怕地忧虑古董名画的命运。

  而这一切,皆无需线缆。

  如同计算机从单任务到多任务的跨越一般,人类将从事事亲历亲为却免不了顾此失彼的尴尬中解脱出来,同时兼顾生活与工作的方方面面,一切将变得从容而妥 当。最为诱人的是,这样的效率不需要被烦冗杂乱的设备线路所缠绕,无线传感Zigbee将工作与生活的广阔空间浓缩于双手可以掌控的距离。

  何谓Zigbee

  Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要 很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。最后,这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另 外一种无线技术如WiMax收集。

  Zigbee的基础是IEEE 802.15.4,这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network,PAN)工作组的一项标准,被称作IEEE 802.15.4(Zigbee)技术标准。

  Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

  Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四 大巨头共同宣布,它们将加盟“Zigbee 联盟”,以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准,这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。

  到目前为止,除了Invensys、 三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有25家成员企业,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电 子厂商及OEM商等,例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准 的IEEE 802.15.4工作组。

  超越蓝牙的简单实用

  1999年,蓝牙热潮 席卷全球,然而发展数年,一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应 运而生,大幅简化蓝牙的复杂规格,专注于低传输应用。不过相关规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言:Zigbee和UWB (Ultra-WideBand超宽频道)切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实,因为Zigbee不支持语音,但Zigbee的低 价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点,使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。

  Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分:

  * 数据传输速率低:只有10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输应用;

  * 功耗低: 在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势;

  * 成本低:因为Zigbee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本。且Zigbee 协议免收专利费。

  * 网络容量大: 每个Zigbee网络最多可支持255个设备,也就是说,每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接;

  * 时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间;

  * 安全: Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时可以灵活确定其安全属性;

  * 有效范围小: 有效覆盖范围10~75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;

  * 工作频段灵活: 使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。

  随着研究的进一步深入,传感器将变得更小,而且功能会越来越多。最终,他们可能会微缩到尘埃大小。届时,数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。

  广阔应用,一切无线

  Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器数据)、间歇性数据(如照明控制)和重复性低反应时间数据(如鼠标)。

  根据Zigbee联盟目前的设想,Zigbee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。

  政府的计划给了Zigbee更多的空间,显示了对其无比的信心。据报道,美国能源部已经决定雇佣Honeywell International Inc.公司,希望通过使用Zigbee传感器能够在钢铁、铝以及其他六个行业中将这些能源的成本降低15[%]。通过安装在Alcoa,Dow Chemical,以及ExxonMobil等公司管道系统中传感器,实时追踪监测产品生产过程中的气体使用情况。

  Honeywell公司的自动控制部门的副总裁、技术总监Dan Sheflin表示:“能够实时获取这些数据是一件非常重要的事情。”利用这种无线技术及时采取措施来减少泄漏或者消除浪费,每年可节约的能量超过华盛顿州去年一年所使用的天然气产生的能量总和。

  至此,Zigbee的应用前景已经远远超过了本文初始的有限描述。Zigbee联盟中的先行者英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉以及荷 兰飞利浦半导体公司以及三星、Millennial Net和Ember公司的总裁面对2007年35亿美元的预计营业收入恐怕已经难忍笑意。

  更重要的是,预测未来6到7年内,家庭用户将占有Zigbee2/3的市场。在可以预期的将来,Zigbee无线传感将切实改变你我的生活。

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