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可謂是無人不知，無人不曉。作為除了wifi、藍(lán)牙之外，ZigBee是目前最重要的無線通信協(xié)議之一，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等領(lǐng)域。關(guān)于ZigBee，下文采用問答形式向你詳細(xì)地介紹了方方面面，不夸口的說，你所需要知道的關(guān)于ZigBee的一切，全在這里了!

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201801/374357.htm

起源歷史篇

ZigBee起源什么技術(shù)?

在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)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(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，……而工業(yè)自動(dòng)化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究過的面向家庭網(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(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)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形象地描述這種無線信息傳輸技術(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(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時(shí);

(2)低成本：通過大幅簡化協(xié)議是成本很低(不足藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi);

(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)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(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn);

(5)短時(shí)延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)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(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng);

(7)高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性;

(8)免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)頻段。

為什么說ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需求而產(chǎn)生的?

ZigBee技術(shù)本身，就是因?yàn)樘m牙技術(shù)不能滿足工業(yè)自動(dòng)化中，對低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性的無線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因?yàn)?，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干擾。ZigBee技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻的方式。就是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場的這種需要。

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限PAN的協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)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(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

為什么ZigBee無線通信使用2，4G頻段是免費(fèi)頻段?

在我國和世界上大多數(shù)其他國家，一般使用無線電設(shè)備都是要付頻率使用費(fèi)的，包括手機(jī)通信，只不過移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)向國家支付了這筆費(fèi)用，并通過號碼占用費(fèi)等方式向用戶收取了這筆費(fèi)用。在使用其它無線設(shè)備時(shí)，你首先要向國家相關(guān)部門申請頻率使用許可，然后根據(jù)你的無線設(shè)備所使用的頻率，功率大小和數(shù)量收取費(fèi)用。這是一筆不小的費(fèi)用，一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費(fèi)用。而免費(fèi)頻段，是指各個(gè)國家根據(jù)各自的實(shí)際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規(guī)定的一致性，而劃分出來的一個(gè)頻段，專門用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用(ISM頻段)，不需申請而可以免費(fèi)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(nèi)的無線收發(fā)設(shè)備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過100mW。

ZigBee僅適合近距離通信嗎?

ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠(yuǎn)的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。但是，在進(jìn)行擴(kuò)張要注意的是：(1)隨著發(fā)射功率的增加，耗電量自然要增大，只要求耗電也大，便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢;(2)盡管2.4Ghz是免費(fèi)頻段，但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。

ZigBee采用直序擴(kuò)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(jié)果也許會有很大的差別，例如ASK，F(xiàn)SK，F(xiàn)HSS，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(tǒng)和CDMA系統(tǒng)一樣，都采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，它是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過這兩種技術(shù)的通信產(chǎn)品，你會發(fā)現(xiàn)兩者在可靠性上不同凡響。

由于擴(kuò)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，在干擾很強(qiáng)的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，這相當(dāng)于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。換句話說，它可以使用較低的功率傳輸更遠(yuǎn)的距離。下面引用擴(kuò)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(shù)字通信技術(shù)之后，1995年又推出的一種新型數(shù)字蜂窩技術(shù)，它利用數(shù)字傳輸方法，采用擴(kuò)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(jī)功耗小、話音質(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(tǒng)與FDMA(頻分多址連接)和TDMA(時(shí)分多址連接)系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗干擾性能好由于CDMA 經(jīng)過擴(kuò)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(qiáng)多徑衰落是影響移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)突出問題，通常必須采取空間分集、自適應(yīng)均衡等技術(shù)加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)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(tǒng)容量增大對于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點(diǎn)或時(shí)隙一分配完，則小區(qū)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(tǒng)，在指定的干擾電平下，即使用戶數(shù)已達(dá)到限定數(shù)目時(shí)，也還允許增加個(gè)別用戶，其缺點(diǎn)是造成話音質(zhì)量下降。業(yè)務(wù)提供者可在容量與話音質(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(qiáng)度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據(jù)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(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，綜合應(yīng)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(yīng)，可以獲得很強(qiáng)的抗干擾能力，加上它在越區(qū)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(qū)切換時(shí)無乒乓效應(yīng)。本系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯(cuò)編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)來確保高質(zhì)量話音和數(shù)據(jù)傳輸。

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

(6)多址能力強(qiáng)CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴(kuò)頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴(kuò)頻編碼方案有關(guān)，與同時(shí)發(fā)送信號的用戶間的多址干擾(即擴(kuò)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(qiáng)。

(7)高度可靠的保密安全性CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)保密通信系統(tǒng)，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(tǒng)所無法比擬的。分析其采用的擴(kuò)頻系統(tǒng)，要想截獲別人的通信內(nèi)容幾乎是不可能的，如只要機(jī)內(nèi)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(xù)工作，它的擴(kuò)頻地址序列周期也長達(dá)7年。它還可以方便地在CDMA系統(tǒng)設(shè)置和改變主密鑰、副密鑰、擴(kuò)頻碼表、標(biāo)準(zhǔn)加密算法等，使通信的保密性更為可靠。

(8)手機(jī)功耗小CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調(diào)高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，F(xiàn)DMA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(tǒng)容量增加，減少了小區(qū)數(shù)和降低設(shè)備成本。

ZigBee與現(xiàn)有數(shù)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(yuǎn)比一般數(shù)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?yàn)榧啥雀?，比起一般?shù)傳電臺來，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(jī)還要小許多，因而很容易集成或直接安放在到設(shè)備之中，不僅使用方便，而且在戶外攜帶使用時(shí)不容易受到損壞;

(3) 抗干擾力強(qiáng)，保密性好，誤碼率低：ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G 直序擴(kuò)頻技術(shù)，比起一般FSK，ASK和跳頻的數(shù)傳電臺來，具有更好的抗干擾能力，和更遠(yuǎn)的傳輸距離;

(4) 免費(fèi)頻段：ZigBee使用的是免費(fèi)頻段，而許多數(shù)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委會交納相當(dāng)?shù)念l率使用費(fèi);

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

關(guān)鍵詞： ZigBee IEEE802