ZigBee技術(shù)及ZigBee協(xié)議

　　在智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，時(shí)下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無(wú)人不知，無(wú)人不曉。作為除了wifi、藍牙之外，ZigBee是目前最重要的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議之一，主要應用于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等領(lǐng)域。關(guān)于ZigBee，下文采用問(wèn)答形式向你詳細地介紹了方方面面，不夸口的說(shuō)，你所需要知道的關(guān)于ZigBee的一切，全在這里了!

　　起源歷史篇

　　ZigBee起源什么技術(shù)?

　　在藍牙技術(shù)的使用過(guò)程中，人們發(fā)現藍牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍牙技術(shù)顯得太復雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規模太小等，……而工業(yè)自動(dòng)化，對無(wú)線(xiàn)數據通信的需求越來(lái)越強烈，而且，對于工業(yè)現場(chǎng)，這種無(wú)線(xiàn)數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過(guò)人們長(cháng)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。

　　什么是ZigBee?

　　首先ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據這個(gè)協(xié)議規定的技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備中，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近信息的，也就是所蜜蜂依靠著(zhù)這樣的方式構成了群體中的通信“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(xiàn)信息傳輸技術(shù)。

　　ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)?

　　ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

　　(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(gè)節點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長(cháng)。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時(shí);

　　(2)低成本：通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議是成本很低(不足藍牙的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(diǎn)需要32KB代碼，子功能節點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專(zhuān)利免費;

　　(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿(mǎn)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(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠;

　　(5)短時(shí)延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30ms，進(jìn)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，由一個(gè)主節點(diǎn)管理若干子節點(diǎn)，最多一個(gè)主節點(diǎn)可管理254個(gè)子節點(diǎn);同時(shí)主節點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節點(diǎn)的大網(wǎng);

　　(7)高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無(wú)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(chēng)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(yè)科學(xué)醫療2.4GHz(全球)頻段。

　　為什么說(shuō)ZigBee是順應工業(yè)自動(dòng)化對可靠的無(wú)線(xiàn)數據傳輸日益增長(cháng)的需求而產(chǎn)生的?

　　ZigBee技術(shù)本身，就是因為蘭牙技術(shù)不能滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化中，對低數據量，低成本，低功耗，高可靠性的無(wú)線(xiàn)數據通信的需求而產(chǎn)生的。因為，對于工業(yè)現場(chǎng)，這種無(wú)線(xiàn)數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現場(chǎng)的各種電磁干擾。ZigBee技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結構，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴頻的方式。就是為了滿(mǎn)足工業(yè)自動(dòng)化控制現場(chǎng)的這種需要。

　　通信技術(shù)篇

　　ZigBee使用那種協(xié)議?

　　IEEE802.15.4協(xié)議，這是一種低傳送速率的無(wú)限PAN的協(xié)議。在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負責。

　　為什么ZigBee無(wú)線(xiàn)通信使用2，4G頻段是免費頻段?

　　在我國和世界上大多數其他國家，一般使用無(wú)線(xiàn)電設備都是要付頻率使用費的，包括手機通信，只不過(guò)移動(dòng)運營(yíng)商已經(jīng)向國家支付了這筆費用，并通過(guò)號碼占用費等方式向用戶(hù)收取了這筆費用。在使用其它無(wú)線(xiàn)設備時(shí)，你首先要向國家相關(guān)部門(mén)申請頻率使用許可，然后根據你的無(wú)線(xiàn)設備所使用的頻率，功率大小和數量收取費用。這是一筆不小的費用，一般設備一年往往要交納幾千元的費用。而免費頻段，是指各個(gè)國家根據各自的實(shí)際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規定的一致性，而劃分出來(lái)的一個(gè)頻段，專(zhuān)門(mén)用于工業(yè)，醫療以及科學(xué)研究使用(ISM頻段)，不需申請而可以免費使用的頻段。我們國家的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，國家對該頻段內的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過(guò)100mW。

　　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)節點(diǎn)模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節點(diǎn)數量來(lái)擴展網(wǎng)絡(luò )，而且還可以通過(guò)傳統的互聯(lián)網(wǎng)去監控路途遙遠的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò )。但是，在進(jìn)行擴張要注意的是：(1)隨著(zhù)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;(2)盡管2.4Ghz是免費頻段，但是不能超過(guò)電波法中對于最大功率的限制。

　　ZigBee采用直序擴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果也許會(huì )有很大的差別，例如ASK，FSK，FHSS，DSSS等的抗干擾能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。ZigBee系統和CDMA系統一樣，都采用的是直序擴頻技術(shù)(DSSS)，它是一種抗干擾能力極強，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)現兩者在可靠性上不同凡響。

　　由于擴頻技術(shù)在正常通信時(shí)所要求的信噪比可以很低，就是說(shuō)，在干擾很強的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據計算和實(shí)驗，這相當于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。換句話(huà)說(shuō)，它可以使用較低的功率傳輸更遠的距離。下面引用擴頻技術(shù)優(yōu)越性有關(guān)的一些資料供參考：

　　CDMA是繼世界上推出數字通信技術(shù)之后，1995年又推出的一種新型數字蜂窩技術(shù)，它利用數字傳輸方法，采用擴頻通信技術(shù)，大幅度地提高了頻率利用率，具有容量大、覆蓋范圍廣、手機功耗小、話(huà)音質(zhì)量高的突出優(yōu)點(diǎn)，將移動(dòng)通信技術(shù)推向發(fā)展新階段。CDMA(碼分多址連接)蜂窩系統與FDMA(頻分多址連接)和TDMA(時(shí)分多址連接)系統相比，CDMA系統具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)抗干擾性能好由于CDMA 經(jīng)過(guò)擴頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。

　　(2)抗多徑衰落能力強多徑衰落是影響移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)突出問(wèn)題，通常必須采取空間分集、自適應均衡等技術(shù)加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統可以利用多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提Qualcomm.html‘ target=’_blank‘》高通信質(zhì)量。

　　(3)系統容量增大對于FDMA與TDMA，若小區的頻點(diǎn)或時(shí)隙一分配完，則小區就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限系統，在指定的干擾電平下，即使用戶(hù)數已達到限定數目時(shí)，也還允許增加個(gè)別用戶(hù)，其缺點(diǎn)是造成話(huà)音質(zhì)量下降。業(yè)務(wù)提供者可在容量與話(huà)音質(zhì)量之間進(jìn)行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術(shù)大大降低了干擾信號的強度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話(huà)音激活或可變速率話(huà)音編碼、分集接收、功率控制。據介紹，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)通信質(zhì)量好CDMA系統采用直接序列擴頻技術(shù)，綜合應用時(shí)間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術(shù)克服多徑效應，可以獲得很強的抗干擾能力，加上它在越區切換時(shí)采用先建立后中斷的軟切換技術(shù)，保證了CDMA的通信質(zhì)量，特別在越區切換時(shí)無(wú)乒乓效應。本系統屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數字調制技術(shù)來(lái)確保高質(zhì)量話(huà)音和數據傳輸。

　　(5)頻率利用率高CDMA系統的同一頻率，可以在所有小區內重復使用，其頻率復用率為2/3(FDMA和TDMA的頻率復用率為1/7)，不需要FDMA和TDMA那樣進(jìn)行頻率配置，大大簡(jiǎn)化了小區分裂和微蜂窩引入。

　　(6)多址能力強CDMA系統多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴頻編碼方案有關(guān)，與同時(shí)發(fā)送信號的用戶(hù)間的多址干擾(即擴頻編碼的相關(guān)特性)有關(guān)，與允許的接收質(zhì)量有關(guān)(輸出信噪比)，因此同時(shí)工作用戶(hù)間的多址干擾越低，能允許的接收質(zhì)量越低，CDMA技術(shù)的多址能力就越強。

　　(7)高度可靠的保密安全性CDMA移動(dòng)通信系統是一個(gè)保密通信系統，若再加一定的加密算法技術(shù)，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統所無(wú)法比擬的。分析其采用的擴頻系統，要想截獲別人的通信內容幾乎是不可能的，如只要機內鋰電池不放完電，它以512KHz的時(shí)鐘頻率加以改變其序列的即時(shí)狀態(tài)，即使是連續工作，它的擴頻地址序列周期也長(cháng)達7年。它還可以方便地在CDMA系統設置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標準加密算法等，使通信的保密性更為可靠。

　　(8)手機功耗小CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，FDMA的最小功率為5mW、平均發(fā)射功率為794 mW、峰值功率為3W，而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發(fā)射功率為5 mW、 峰值功率為100mW。由此可見(jiàn)CDMA的平均發(fā)射功率和最大發(fā)射功率比FDMA低，從而使系統容量增加，減少了小區數和降低設備成本。

　　ZigBee與現有數傳電臺的比較有哪些特點(diǎn)?

　　其優(yōu)點(diǎn)如下：

　　(1) 可靠性高：由于ZigBee模塊的集成度遠比一般數傳電臺高，分離元器件少，因而可靠性更高;

　　(2) 使用方便安全：因為集成度高，比起一般數傳電臺來(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手機還要小許多，因而很容易集成或直接安放在到設備之中，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，保密性好，誤碼率低：ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G 直序擴頻技術(shù)，比起一般FSK，ASK和跳頻的數傳電臺來(lái)，具有更好的抗干擾能力，和更遠的傳輸距離;

　　(4) 免費頻段：ZigBee使用的是免費頻段，而許多數傳電臺所使用的頻段不僅需要申請，而且每年都需要向國家無(wú)委會(huì )交納相當的頻率使用費;

　　(5) 價(jià)格低： ZigBee數傳模塊的價(jià)格只有具有類(lèi)似功能的數傳電臺的幾分之一。