1

Zigbee無線通信技術

一、Zigbee技術簡介二、Zigbee技術特性和性能分析三、Zigbee技術應用范圍四、小結一、Zigbee技術簡介一、什么是Zigbee？ Zigbee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復雜度、低速率的近程無線網絡通信技術，亦包含此寓意。ZigBee聯盟成立于2001年8月，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司等四大公司加盟ZigBee聯盟，這一事件成為ZigBee技術的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯盟的不僅僅只有當初的四大公司，而是涵蓋了IT領域以及其它行業的150多家企業。一、Zigbee技術簡介二、ZigBee技術特點ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術；ZigBee采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點：省電、簡單、成本又低的規格；ZigBee增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層；ZigBee的主要應用領域包括無線數據采集、無線工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制、遠程網絡控制等場合；二、Zigbee技術特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數據傳輸率二、短程無線網絡標準三、無線網絡標準的比較四、zigbee技術優勢五、Zigbee物理信道六、Zigbee協議棧七、ZigBee網絡拓撲結構八、ZigBee網絡設備類型九、Zigbee抗干擾能力十、ZigBee可靠鏈路二、Zigbee技術特性和性能分析一、ZigBee頻帶和數據傳輸率ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個；ZigBee在中國采用2.4G的ISM頻段，是免申請和免使用費的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250K。二、Zigbee技術特性和性能分析二、短程無線網絡標準

ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數據傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近；ZigBee無線技術適合組建WPAN網絡，就是無線個人設備的聯網，對于數據采集和控制信號的傳輸是非常合適的。ZigBee技術的應用定位是低速率、復雜網絡、低功耗和低成本應用。二、Zigbee技術特性和性能分析三、無線網絡標準的比較ZigBee無線的傳輸帶寬在20-250KB/s范圍，適合傳感器數據采集和控制數據的傳輸；ZigBee無線可以組建大規模網絡，網絡節點容量達到65535個，具有非常強大的組網優勢；ZigBee技術特有的低功耗設計，可以保證電池工作很長時間。二、Zigbee技術特性和性能分析四、zigbee技術優勢

①低功耗。在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月,甚至更長。這是Zigbee的突出優勢。相比較,藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。

②低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10),降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且Zigbee免協議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的較低速率,分別提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率,滿足低速率傳輸數據的應用需求。 ④近距離。傳輸范圍一般介于10～100m之間,在增加RF發射功率后,亦可增加到1～3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。二、Zigbee技術特性和性能分析 ⑤短時延。Zigbee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3～10s、WiFi需要3s。 ⑥高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000個節點的大網。

⑦高安全。Zigbee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。

⑧免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段,2.4GHz(全球)、915MHz(美國)和868MHz(歐洲)。二、Zigbee技術特性和性能分析五、Zigbee物理信道ZigBee在2.4G的頻段上具有16個信道，從2.405GHz—2.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強的信道抗串擾能力。二、Zigbee技術特性和性能分析六、Zigbee協議棧ZigBee采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點ZigBee增加了邏輯網絡、網絡安全和應用軟件，更加適合于產品技術的一致化，利于產品的互連互通；ZigBee繼續與IEEE緊密結合，以保證向市場提供一種完整的集成解決方案。二、Zigbee技術特性和性能分析七、ZigBee網絡拓撲結構ZigBee技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網，可以根據實際項目需要來選擇合適的網絡結構；MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網絡適合點多多點、距離相對較近的應用。星型Mesh網狀網簇狀網網絡協調器全功能設備（FFD，Router）精簡功能設備（RFD）二、Zigbee技術特性和性能分析八、ZigBee網絡設備類型網絡協調器：包括所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算機能力強。發送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節點、存儲網絡節點信息、尋找一對節點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設備（FFD）：可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其它的FFD或是RFD連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征更多的存儲器、計算機能力可使其在空閑時起網絡路由作用。也可能做終端設備精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。附帶有限的功能來控制成本和復雜性在網絡中通常用作終端設備。ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助于降低成本。二、Zigbee技術特性和性能分析九、Zigbee抗干擾能力ZigBee在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術（DirectSequence/FrequencyAgility）；ZigBee的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴展的能力也最強；ZigBee具備的頻率快變就是改變頻率，以避開從一個已知干擾源或信號源來的影響的能力；二、Zigbee技術特性和性能分析實驗證明IEEE802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達到10-9；達到同樣誤碼率，藍牙/802.15.1信噪比要達16dB，802.11b要達10dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術。二、Zigbee技術特性和性能分析十、ZigBee可靠鏈路物理層RF通信鏈路直序擴頻采用高處理增益明晰的信道檢測對干擾能量進行檢測采用跳頻技術Freqencyagility

協議基于CRC的誤碼檢測/校正采取了避免沖突的策略CSMA/CA為固定帶寬的通信業務預留了專業的有保證的時隙發送的數據包都有待于接受方的確認，如出現問題進行重發保持數據包的及時傳輸Packetdatafreshness二、Zigbee技術特性和性能分析通信可靠機制ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包必須等待接受方的確認信息。網絡的自組織、自愈能力強ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；ZigBee自愈功能：增加或刪除一個節點，節點位置發生變動，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。ZigBee技術RF物理層上的設計保證了較強的抗干擾能力和通信可靠性；ZigB