ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

周航正

摘 要 本文對(duì)ZigBee技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，從傳輸頻率、功耗、傳輸距離和傳輸速率等方面將ZigBee技術(shù)與其他的主要無線通信技術(shù)進(jìn)行了比較，分析了ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以及ZigBee技術(shù)的協(xié)議架構(gòu)。

關(guān)鍵詞 ZigBee 傳輸頻率 功耗 傳輸距離

近些年來無線通信技術(shù)得到了飛速發(fā)展，目前主要的無線通信技術(shù)包括ZigBee、紅外、藍(lán)牙和Wi-Fi等。其中紅外技術(shù)是發(fā)展時(shí)間比較長(zhǎng)的傳統(tǒng)無線通信技術(shù)之一，具有成本低廉、方便操作和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，但紅外容易在傳播過程中被障礙物遮擋，并且紅外技術(shù)只能進(jìn)行單點(diǎn)連接，不能多點(diǎn)組網(wǎng)；藍(lán)牙技術(shù)目前的應(yīng)用比較廣泛，市面上常見藍(lán)牙耳機(jī)、鼠標(biāo)等產(chǎn)品，但是由于藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議比較復(fù)雜，能耗又相對(duì)較高，使得藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展受到了極大的限制；Wi-Fi技術(shù)憑借其傳輸速度快，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)近些年備受關(guān)注，但該技術(shù)也具有能耗大，成本高，保密性能不好等缺點(diǎn)；ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研發(fā)的一種短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、低復(fù)雜度、低成本的雙向無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)的經(jīng)濟(jì)、高效、可靠等特點(diǎn)使得該技術(shù)在無線通信技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用前景極為廣闊。ZigBee、紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特性比較如表1所示。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種近年來興起的的短距離、低速率、低功耗的雙向無線通信技術(shù)。ZigBee的名字來源于蜜蜂，當(dāng)蜜蜂發(fā)現(xiàn)食物后，會(huì)通過跳“Z”字形的舞蹈來向同伴傳遞食物位置和方向等信息。由于蜜蜂體積小，所需能量小，能傳輸信息等特點(diǎn)與該技術(shù)特點(diǎn)相吻合，所以人們將該技術(shù)命名為ZigBee。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。

2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

2.1低功耗

ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量小，信號(hào)收發(fā)時(shí)間短，并且在非工作狀態(tài)下處于自動(dòng)休眠模式，所以ZigBee節(jié)點(diǎn)的功耗非常低。由于電池種類、網(wǎng)絡(luò)容量和應(yīng)用場(chǎng)合等條件的不同，電池的使用時(shí)間也不相同，通常情況下ZigBee節(jié)點(diǎn)在兩節(jié)5號(hào)干電池供電的情況下可工作6個(gè)月到2年，而使用堿性電池則可以工作數(shù)年，對(duì)于某些長(zhǎng)時(shí)間處于休眠模式的工作，電池壽命甚至可以超過10年。

2.2高可靠度

ZigBee技術(shù)在媒體接入控制層（MAC層）采用了talk-when-ready碰撞避免機(jī)制，這是一種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，如果沒有收到確認(rèn)信息則再傳一次。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，避免了數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，有效地提高了系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.3大網(wǎng)絡(luò)容量

單個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最多可同時(shí)搭載255個(gè)設(shè)備，包括一個(gè)主設(shè)備（Master）和254個(gè)從設(shè)備（Slave），并且在同一地點(diǎn)最多可以有100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)工作。如果使用Network Coordinator可使整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)同時(shí)搭載65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且Network Coordinator相互之間可以進(jìn)行連接，這樣將使網(wǎng)絡(luò)中同時(shí)存在數(shù)量極多的傳感器節(jié)點(diǎn)。比如ZigBee2006版的協(xié)議棧就能夠容納3萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.4低成本

ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練，所以研發(fā)和生產(chǎn)成本相對(duì)較低，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的，ZigBee模塊的初始成本大約在6美元左右，而且一直在降低，很快可以降到0.25至1.5美元左右。

2.5高安全性

ZigBee技術(shù)提供了基于循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，并采用AES-128加密算法，各應(yīng)用可以靈活的確定其安全屬性，使得網(wǎng)絡(luò)安全性得到了較高的保證。

2.6短時(shí)延

ZigBee技術(shù)對(duì)通信時(shí)延以及系統(tǒng)喚醒時(shí)延等問題也做出了處理。系統(tǒng)喚醒時(shí)延一般為15ms，網(wǎng)絡(luò)搭建時(shí)延一般為30ms，移動(dòng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為15ms。

3 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

為了使不同種類的ZigBee設(shè)備能夠在同一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)同工作，我們必須首先對(duì)節(jié)點(diǎn)間的通信規(guī)則進(jìn)行定義，也就是規(guī)定ZigBee協(xié)議棧。ZigBee技術(shù)最為重要的核心就是ZigBee/802.15.4C51源代碼，這些源代碼長(zhǎng)達(dá)幾萬行，它們與ZigBee無線單片機(jī)的內(nèi)核相互配合來進(jìn)行收發(fā)及校驗(yàn)數(shù)據(jù)包、路由計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频热蝿?wù)。目前已經(jīng)有TI、Freescale、Microchip等多家公司著手于研發(fā)基于本公司的ZigBee芯片的協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議架構(gòu)主要由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)/安全層以及應(yīng)用框架層組成，其體系結(jié)構(gòu)通常是由層來量化各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的，每一層除完成規(guī)定任務(wù)外還要向上層提供服務(wù)。

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