Zigbee无线通信技术详解解析

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Zigbee无线通信技术

一、Zigbee技术简介二、Zigbee技术特性和性能分析三、Zigbee技术应用范围四、小结一、Zigbee技术简介一、什么是Zigbee？ Zigbee一词源自蜜蜂群在觉察花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，到达交换信息的目的。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、低本钱、低简单度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。ZigBee联盟成立于2023年8月，2023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等四大公司加盟ZigBee联盟，这一大事成为ZigBee技术的里程碑。到目前为止，加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当时的四大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业。一、Zigbee技术简介二、ZigBee技术特点ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低本钱、低简单度的无线网络技术；ZigBee实行了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简洁、本钱又低的规格；ZigBee增加了规律网络、网络安全和应用层；ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业掌握、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备掌握、远程网络掌握等场合；二、Zigbee技术特性和性能分析一、ZigBee频带和数据传输率二、短程无线网络标准三、无线网络标准的比较四、zigbee技术优势五、Zigbee物理信道六、Zigbee协议栈七、ZigBee网络拓扑构造八、ZigBee网络设备类型九、Zigbee抗干扰力量十、ZigBee牢靠链路二、Zigbee技术特性和性能分析一、ZigBee频带和数据传输率ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个；ZigBee在中国承受2.4G的ISM频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G的频段上具有16个信道，带宽为250K。二、Zigbee技术特性和性能分析二、短程无线网络标准

ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和掌握信号的传输是特别适宜的。ZigBee技术的应用定位是低速率、简单网络、低功耗和低本钱应用。二、Zigbee技术特性和性能分析三、无线网络标准的比较ZigBee无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和掌握数据的传输；ZigBee无线可以组建大规模网络，网络节点容量到达65535个，具有特别强大的组网优势；ZigBee技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。二、Zigbee技术特性和性能分析四、zigbee技术优势

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。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

②低本钱。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信掌握器的要求,按猜测分析,以8051的8位微掌握器测算,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免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别供给250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,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放射功率后,亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。假设通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。二、Zigbee技术特性和性能分析 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可承受星状、片状和网状网络构造,由一个主节点治理假设干子节点,最多一个主节点可治理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点治理,最多可组成65000个节点的大网。

⑦高安全。Zigbee供给了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入掌握清单(ACL)防止非法猎取数据以及承受高级加密标准(AES128)的对称密码,以敏捷确定其安全属性。

⑧免执照频段。承受直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。二、Zigbee技术特性和性能分析五、Zigbee物理信道ZigBee在2.4G的频段上具有16个信道，从2.405GHz—2.480GHz间分布，信道间隔是5M，具有很强的信道抗串扰力量。二、Zigbee技术特性和性能分析六、Zigbee协议栈ZigBee实行了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点ZigBee增加了规律网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的全都化，利于产品的互连互通；ZigBee连续与IEEE严密结合，以保证向市场供给一种完整的集成解决方案。二、Zigbee技术特性和性能分析七、ZigBee网络拓扑构造ZigBee技术具有强大的组网力量，可以形成星型、树型和MESH网状网，可以依据实际工程需要来选择适宜的网络构造；MESH网状网络拓扑构造的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑构造还可以组成极为简单的网络；网络还具备自组织、自愈功能；星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。星型Mesh网状网簇状网网络协调器全功能设备〔FFD，Router〕精简功能设备〔RFD〕二、Zigbee技术特性和性能分析八、ZigBee网络设备类型网络协调器：包括全部的网络消息，是3种设备类型中最简单的一种，存储容量最大、计算机力量强。发送网络信标、建立一个网络、治理网络节点、存储网络节点信息、查找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。全功能设备〔FFD〕：可以担当网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是RFD连结，FFD具备掌握器的功能，可供给信息双向传输。附带由标准指定的全部802.15.4功能和全部特征更多的存储器、计算机力量可使其在空闲时起网络路由作用。也可能做终端设备精简功能设备〔RFD〕：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来掌握本钱和简单性在网络中通常用作终端设备。ZigBee相对简洁的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件本钱，而简洁的8位处理器和小协议栈也有助于降低本钱。二、Zigbee技术特性和性能分析九、Zigbee抗干扰力量ZigBee在物理层承受高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术〔DirectSequence/FrequencyAgility〕；ZigBee的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的力量也最强；ZigBee具备的频率快变就是转变频率，以避开从一个干扰源或信号源来的影响的力量；二、Zigbee技术特性和性能分析试验证明的误码率，特殊是在信噪比为4dB的状况下可到达10-9；到达同样误码率，蓝牙/802.15.1信噪比要达16dB，802.11b要达10dB，Zigbee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术。二、Zigbee技术特性和性能分析十、ZigBee牢靠链路物理层RF通信链路直序扩频承受高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进展检测承受跳频技术Freqencyagility协议基于CRC的误码检测/校正实行了避开冲突的策略CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专业的有保证的时隙发送的数据包都有待于承受方确实认，如消失问题进展重发保持数据包的准时传输Packetdatafreshness二、Zigbee技术特性和性能分析通信牢靠机制ZigBee承受了CSMA-CA的碰撞避开机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据使得竞争和冲突；明晰的信道检测；MAC层承受了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包必需等待承受方确实认信息。网络的自组织、自愈力量强ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成构造化的网络；ZigBee自愈功能：增加或删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑构造进展相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍旧能正常工作。ZigBee技术RF物理层上的设计保证了较强的抗干扰力量和通信牢靠性；ZigBee技术在通信协议上的牢靠设计，保证了较强的抗干扰力量和通信牢靠性。三、Zigbee技术应用范围一、适合ZigBee传输的数据类型二、适合ZigBee技术的应用场合三、Zigbee技术典型应用三、Zigbee技术应用范围一、适合ZigBee传输的数据类型周期性数据：传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据连续性数据工业掌握命令、远程网络掌握、家用电器掌握反复性低反响时间数据如鼠标键盘数据、操作杆的数据

三、Zigbee技术应用范围二、适合ZigBee技术的应用场合设备本钱低、传输数据量小设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块没有充分的电源支持，只能使用一次性电池需要较大范围的通信掩盖，网络中的设备特别多，但仅仅用于监测或掌握三、Zigbee技术应用范围三、Zigbee技术典型应用1、结合Zigbee和GPRS的无线数据传输2、医疗监控系统3、无线点餐系统4、智能交通掌握系统三、Zigbee技术应用范围1、结合Zigbee和GPRS的无线数据传输三、Zigbee技术应用范围系统概述利用GPRS网络传输基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络承受星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每Zigbee传感器节点的功耗，削减了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率，并利用GPRS网络传输汇节点的数据，转变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进展数据传输的限制，使网络具有特别显著的优点；利用ZIGBEE技术优势组建无线传感器网络数据传输网，并可以依据区域布置不同的汇接点，这个汇接点就是ZIGBEE的中心节点；远程治理中心通过GPRS等公共信道与ZIGBEE网络实现远程通信，通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效掌握和治理。系统应用无线传感器网络WSN远程数据采集远程掌握网络远程监测监控系统远程集抄系统三、Zigbee技术应用范围2、医疗监控系统系统概述利用ZIGBEE技术组成一个网状路由网络，在楼道设置适宜的路由节点，进展数据的中转；房间内的呼叫节点承受星型网络连接，由其中一个节点作为ZIGBEE路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；全部的ZIGBEE路由器组成一个蜂窝网状网络，再与ZIGBEE中心节点连接，中心节点设置在治理中心，构建成一个完整的ZIGBEE无线网络，是个通信特别牢靠的网络构造。系统应用医院医疗监护医疗仪器数据采集三、Zigbee技术应用范围3、智能交通掌握系统图一无线交通信号掌握图二Zigbee远程交通掌握三、Zigbee技术应用范围系统概述承受ZIGBEE和太阳能结合的无线掌握系统，无须挖路布设掌握线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装本钱，更重要的是避开了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，而且也避开了由于城市快速进展，道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。系统应用路口交通信号灯掌握远程交通信号掌握道路信息采集不停车收费系统三、Zigbee技术应用范围4、无线点餐系统系统概述餐厅ZigBee无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的ZigBee节点设备构成了完整的无线通讯网络，实现了信息处理的自动化；内置无线ZIGBEE