2019-11-26 13:52:28
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當今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著(zhù)Internet的迅速發(fā)展和個(gè)人對數據通信需求的快速增長(cháng)，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現三大趨勢：無(wú)線(xiàn)化、寬帶化和IP化?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展推動(dòng)了市場(chǎng)對寬帶網(wǎng)絡(luò )的需求，寬帶用戶(hù)數量在全球呈現出非常強勢的增長(cháng)態(tài)勢。在眾多的寬帶技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)技術(shù)尤其是移動(dòng)通信技術(shù)成為近年來(lái)通信技術(shù)市場(chǎng)的最大亮點(diǎn)，是構成未來(lái)通信技術(shù)的重要組成部分。
Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據這個(gè)協(xié)議規定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的八字舞，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信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò )。其特點(diǎn)是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、高數據速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通訊技術(shù)。
一、ZigBee技術(shù)的起源與發(fā)展
在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍牙，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)人們的長(cháng)期努力， Zigbee協(xié)議在2003年于美國正式問(wèn)世了。
Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“ Homerflite”技術(shù);2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標準， Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。
2002年下半年，英國 vensys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四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ Zigbee”的下一代無(wú)線(xiàn)通信標準，這事件成為該項技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。
2004年12月 Zigbee10標準(又稱(chēng)為 Zigbee2004)敲定，這使得 Zigbee有了自己的發(fā)展基本標準。
2005年9月公布 Zig bee1.0標準并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯(lián)盟。但是基于該版本的應用很少，與后面的版本也不兼容。
2006年12月進(jìn)行標準修訂，推出 Zigbee1.1版(又稱(chēng)為 Zigbee2006)。該協(xié)議雖然命名為 Zigbee1.1，但是與 Zigbee10版是不兼容的
2007年10月完成再次修訂(稱(chēng)為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本，并且加入了 Zibgeepro部分，此時(shí) Zig beel聯(lián)盟更加專(zhuān)注于以下三個(gè)方面：家庭自動(dòng)化、建筑商業(yè)大樓自動(dòng)化、先進(jìn)抄表基礎建設。
二、ZigBee的技術(shù)原理
ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )平臺，十分類(lèi)似現有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )數傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍內，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )還可以與現有的其它的各種網(wǎng)絡(luò )連接。例如，你可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在北京監控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò )。
ZigBee網(wǎng)絡(luò )主要是為自動(dòng)化控制數據傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立;每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)不僅本身可以與監控對對象，例如傳感器連接直接進(jìn)行數據采集和監控，它還可以自動(dòng)中轉別的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數據資料; 除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個(gè)不承擔網(wǎng)絡(luò )信息中轉任務(wù)的孤立的子節點(diǎn)(RFD)無(wú)線(xiàn)連接。
每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)(FFD和RFD)可以可支持多到31個(gè)的傳感器和受控設備，每一個(gè)傳感器和受控設備終可以有8種不同的接口方式?？梢圆杉蛡鬏敂底至亢湍M量。
三、ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進(jìn)行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時(shí)間數據傳輸的應用。
自從馬可尼發(fā)明無(wú)線(xiàn)電以來(lái)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一直向著(zhù)不斷提高數據速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )(3G)目的在于提供多媒體無(wú)線(xiàn)服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內的標準從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數據速率。而ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。
四、這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：
功耗低
工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節點(diǎn)處于休眠模式。設備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節點(diǎn)非常省電，ZigBee節點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(cháng)達6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如：電池種類(lèi)、容量和應用場(chǎng)合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數年，對于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間)之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。
數據傳輸可靠
ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數據包都必須等待接收方的確認信息，并進(jìn)行確認信息回復，若沒(méi)有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統信息傳輸的可靠性。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。同時(shí)ZigBee針對時(shí)延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。
網(wǎng)絡(luò )容量大
ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡(jiǎn)化功能器件(RFD)。對全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數。而對簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話(huà)，可以按3種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調器、協(xié)調器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話(huà)，僅用于非常簡(jiǎn)單的應用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò )最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，其中一個(gè)是主控(Master)設備，其余則是從屬(Slave)設備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Network Coordinator)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )最多可以支持超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數目將十分可觀(guān)。
兼容性
ZigBee技術(shù)與現有的控制網(wǎng)絡(luò )標準無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(CSMA-CA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。
安全性
Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級實(shí)際是無(wú)安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來(lái)轉移數據。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來(lái)防止非法器件獲取數據，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準(AES)的對稱(chēng)密碼。AES可以用來(lái)保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個(gè)應用可以靈活確定其安全屬性。
實(shí)現成本低
模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專(zhuān)利費用。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標僅為幾美分。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。
時(shí)延短
通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應用。
五、ZigBee的技術(shù)應用
作為一種低速率的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee有其自身的特點(diǎn)，因此有為它量身定做的應用，盡管在某些應用方面可能和其他技術(shù)重疊。ZigBee可能的一些應用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫療監護、傳感器網(wǎng)絡(luò )應用和電信應用。
智能家居
家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以前我們最多可能就做到點(diǎn)對點(diǎn)的控制，但如果使用了ZigBee技術(shù)，可以把這些電子電器設備都聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，甚至可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet，這樣用戶(hù)就可以方便的在任何地方監控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線(xiàn)的煩惱。
工業(yè)控制
工廠(chǎng)環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行監控，加強作業(yè)管理，降低成本。
自動(dòng)抄表
抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個(gè)月或每個(gè)季度可能都要統計一下讀數，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據讀數來(lái)收費?，F在在大多數地方還是使用人工的方式來(lái)進(jìn)行抄表，逐家逐戶(hù)的敲門(mén)，很不方便。而ZigBee可以用于這個(gè)領(lǐng)域，利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )把讀數直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進(jìn)行抄表還可以帶來(lái)其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶(hù)，或者和節能相結合，當發(fā)現能源使用過(guò)快的時(shí)候可以自動(dòng)降低使用速度。
醫療監護
電子醫療監護是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監測健康狀況，還有在人體周?chē)h(huán)境放置一些監視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時(shí)對人的身體狀況進(jìn)行監測，一旦發(fā)生問(wèn)題，可以及時(shí)做出反應，比如通知醫院的值班人員。這些傳感器、監視器和報警器，可以通過(guò)ZigBee技術(shù)組成一個(gè)監測的網(wǎng)絡(luò )，由于是無(wú)線(xiàn)技術(shù)，傳感器之間不需要有線(xiàn)連接，被監護的人也可以比較自由的行動(dòng)，非常方便。
傳感器網(wǎng)絡(luò )應用
傳感器網(wǎng)絡(luò )也是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)，像貨物跟蹤、建筑物監測、環(huán)境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò )要求節點(diǎn)低成本、低功耗，并且能夠自動(dòng)組網(wǎng)、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。
電信應用
在2006年初的時(shí)候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術(shù)的SIM卡，并命名為“ZSIM”[5]。其實(shí)這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯(lián)盟也在2007年4月發(fā)布新聞，說(shuō)聯(lián)盟的成員在開(kāi)發(fā)電信相關(guān)的應用[6]。如果ZigBee技術(shù)真得可以在電信領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)，那么將來(lái)用戶(hù)就可以利用手機來(lái)進(jìn)行移動(dòng)支付，并且在熱點(diǎn)地區可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶(hù)也可以通過(guò)定位服務(wù)獲知自己的位置。雖然現在的GPS定位服務(wù)已經(jīng)做得很好，但卻很難支持室內的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補這一缺陷。