无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等),传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求,这种情况下,ZigBee协议应运而生。

1. ZigBee协议是什么

 

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此Zigbee联盟扩展了IEEE,对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

 

ZigBee协议是什么

(图片来源于互联网)

 

2. ZigBee协议分为哪些层

 

在ZigBee 网络中,一共分为4层结构。

 

1、物理层(PHY):物理层定义了物理无线信道和MAC 子层之间的接口,提供物理层数据服务和物理层管
理服务。­物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。­物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

 

2、MAC 层:MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN 连接和分离,提供两个对等MAC 实体之间可靠的链路。_MAC 层数据服务:保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中正确收发。MAC 层管理服务:维护一个存储MAC 子层协议状态相关信息的数据库。

 

3、网络层(NWK):ZigBee 协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能,支持Cluster-Tree 等多种路由算法,支持星形(Star)、树形(Cluster-Tree)、网格(Mesh)等多种拓扑结构。

 

4、应用层(APL):ZigBee 应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee 设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。

 

ZigBee协议分为哪些层

(图片来源于互联网)

 

3. ZigBee协议优缺点

 

ZigBee协议的优点:

1、低功耗:工作模式下,ZigBee技术的传输速率低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很短。其次,在非工作模式情况下,ZigBee的节点处于休眠状态。

2、低成本:通过大幅简化协议,降低了对节点存储和计算能力的要求。根据研究以8051的8位微控制器测算,全功能设备需要32K的代码,精简功能只需要4KB的代码,而且ZigBee协议专利免费。

3、低速率:ZigBee工作在20-250kbit/s的较低速率,分别提供250kbit/s(2.4GHz)、40kbit/s(915MHz)和20kbit/s(868MHz)的原始数据吞吐率,能够满足低速率传输数据的应用要求。

4、近距离:ZigBe设备点对点的传输范围一般介于10-100米之间。在增加射频发射功率后,传输范围可增加到1-3km。如果通过路由和节点间的转发,传输距离可以更远。

5、短时延:ZigBee响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需要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3-10秒,WIFI需要3秒。

6、网络容量大:ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使得它非常适宜支持简单器件。

7、高安全:ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能。在数据传输过程中提供了三级安全性。

8、免执照频段:ZigBee设备物理层采用工业、科学、医疗(ISM)频段。

9、数据传输可靠:ZigBee的媒质传入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当有数据传送需求时则立刻发送,发送的每个数据分组都必须等待接收方的确认消息,并进行确认信息回复。若没有得到确认信息的回复就表示发生了冲突,将重传一次。

 

ZigBee协议优缺点

(图片来源于互联网)

 

ZigBee协议的缺点:

1、成本:目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司,芯片其成本均在2~3美金左右,再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件,成本难以低于10美金。

2、通信稳定性:目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折扣。

3、自组网能力:Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强,自恢复能力强,因此,对于井下定位,停车场车位定位,室外温湿度采集,污染采集等应用非常具有吸引力。然而,对于智能家居的应用场景中,开关,插座,窗帘的位置一旦固定,一直不变,自组网的优点也就不复存在,但是自组网所耗费的时间和资源却依旧高昂。