1、简介
蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有这很多的有点,但是任然存在很多的缺陷。对于工业,家庭自动化控制和遥测遥控领域而言,蓝牙的技术就显得过为复杂,功耗大,距离近而且组网规模太小等,而工业自动化对无线通信的需求也是越来越强烈。正因此,经过人们长期的努力,ZigBee 协议也正是问世了。

 


ZigBee 技术是一种应用于短距离范围内,低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee 名字来源于蜂群使用的赖以生存的发展和通信方式,蜜蜂通过跳 ZigZag 形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息,从此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee 过去也称为过“HomeRD Lite””、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术,但是目前统一称之为“zigbee”技术。


2、ZigBee 是什么
ZigBee 是一个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的 CDMA 网或 GSM 网,每一个 ZigBee 网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的 75 米,到扩展后的几百米,甚至几公里;另外整个 ZigBee 网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如,你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个 ZigBee 控制网络。


不同的是,ZigBee 网络主要是为自动化控制数据传输而建立,而移动通信网主要是为语音通信而建立;每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个 ZigBee"基站"却不到 1000 元人民币;每个 ZigBee 网络节点不仅本身可以与监控对对象,例如传感器连接直接进行数据采集和监控,它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料; 除此之外,每一个 ZigBee 网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。


每个 ZigBee 网络节点(FFD 和 RFD)可以可支持多到 31 个的传感器和受控设备,每一个传感器和受控设备终可以有 8 种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。


3、ZigBee 技术的特点
ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。自从马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如:广域网范围内的第三代移动通信网络(3G)目的在于提供多媒体无线服务,局域网范围内的标准从 IEEE802.11 的 1Mbit/s 到 IEEE802.11g 的 54Mbit/s 的数据速率。而当前得到广泛研究的 ZigBee 技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点:


功耗低:工作模式情况下,ZigBee 技术传输速率低,传输数据量很小,因此信号的收发时间很短,其次在非工作模式时,ZigBee 节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为 30ms,休眠激活时延为 15ms,活动设备信道接入时延为 15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式,使得 ZigBee 节点非常省电,ZigBee 节点的电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右。同时,由于电池时间取决于很多因素,例如:电池种类、容量和应用场合,ZigBee 技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用,碱性电池可以使用数年,对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于 1%的情况,电池的寿命甚至可以超过 10 年。


数据传输可靠:ZigBee 的媒体接入控制层(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传送,发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息,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碰撞,将再传一次,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。同时 ZigBee 针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。


网络容量大:ZigBee 低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee 定义了两种器件:全功能器件(FFD)和简化功能器件(RFD)。对全功能器件,要求它支持所有的 49 个基本参数。而对简化功能器件,在最小配置时只要求它支持 38 个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话,可以按 3 种方式工作,分别为:个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。一个 ZigBee 的网络最多包括有 255 个 ZigBee 网路节点,其中一个是主控(Master)设备,其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过 64000 个 ZigBee 网路节点,再加上各个 Network Coordinator 可互相连接,整个 ZigBee 网络节点的数目将十分可观。


兼容性:ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用载波侦听 / 冲突检测(CSMA-CA)方式进行信道接入。为了可靠传递,还提供全握手协议。


安全性:Zigbee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式,对于某种应用,如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护,器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别,器件可以使用接入控制清单(ACL)来防止非法器件获取数据,在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准(AES)的对称密码。AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件,各个应用可以灵活确定其安全属性。


实现成本低:模块的初始成本估计在 6 美元左右,很快就能降到 1.5-2.5 美元,且 Zigbee 协议免专利费用。目前低速低功率的 UWB 芯片组的价格至少为 20 美元。而 ZigBee 的价格目标仅为几美分。低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素。


时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延 30ms,休眠激活的时延是 15ms, 活动设备信道接入的时延为 15ms。因此 ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。