ZigBee技术详细解析

ZigBee联盟强调设备的互通性：很多近距离电子产品嵌入了ZigBee模块都已具有ZigBee功能，还有许多各种产品预留了ZigBee的接口以备日后随时升级。各类网关产品的开发也得到进一步开发，网关产品支持ZigBee系统与家居控制网络、智能建筑网络及商用网络等现有的设施互联等。

    Q1-1 ZigBee起源什么技术？

    A：在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，……而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年中正式问世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

    Q1-2：什么是ZigBee？

    A： 首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。

    Q1-3：ZigBee技术有哪些特点？

    A： ZigBee的特点主要有以下几个方面：

    （1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时；

    （2）低成本：通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费；

    （3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求；

    （4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远；

    （5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需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3-10s、WiFi需要3s；

    （6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网；

    （7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性；

    （8）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球)频段。

    Q1-4：为什么说ZigBee是顺应工业自动化对可靠的无线数据传输日益增长的需求而产生的？

    A：ZigBee技术本身，就是因为兰牙技术不能满足工业自动化中，对低数据量，低成本，低功耗，高可靠性的无线数据通信的需求而产生的。因为，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。ZigBee技术中，使用网状网拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频的方式。就是为了满足工业自动化控制现场的这种需要。

    通信技术篇

    Q2-1: ZigBee使用那种协议？

    A： IEEE802.15.4协议，这是一种低传送速率的无限PAN的协议。在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。

    Q2-2：为什么ZigBee无线通信使用2，4G频段是免费频段？

    A：在我国和世界上大多数其他国家，一般使用无线电设备都是要付频率使用费的，包括手机通信，只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用，并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时，你首先要向国家相关部门申请频率使用许可，然后根据你的无线设备所使用的频率，功率大小和数量收取费用。这是一笔不小的费用，一般设备一年往往要交纳几千元的费用。而免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段），不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过100mW。

    Q2-3：ZigBee仅适合近距离通信吗？

    A：ZigBee局域网络不仅可以通过提高每个节点模块的发射功率和接收灵敏度以及增加节点数量来扩展网络，而且还可以通过传统的互联网去监控路途遥远的ZigBee控制网络。但是，在进行扩张要注意的是：（1）随着发射功率的增加，耗电量自然要增大，只要求耗电也大，便会失去ZigBee本身电能消耗很低的优势；（2）尽管2.4Ghz是免费频段，但是不能超过电波法中对于最大功率的限制。

    Q2-4：ZigBee采用直序扩频的通信方式有什么好处？

    A：同样的频段，采用不同的通信方式则结果也许会有很大的差别,例如ASK,FSK,FHSS,DSSS等的抗干扰能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。ZigBee系统和CDMA系统一样，都采用的是直序扩频技术（DSSS),它是一种抗干扰能力极强，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用过这两种技术的通信产品，你会发现两者在可靠性上不同凡响。

　　由于扩频技术在正常通信时所要求的信噪比可以很低，就是说，在干扰很强的环境下，它仍然能够正常工作。根据计算和实验，这相当于接收灵敏度提高了7dBm。它也不容易干扰别人。换句话说，它可以使用较低的功率传输更远的距离。下面引用扩频技术优越性有关的一些资料供参考：

    CDMA是继世界上推出数字通信技术之后，1995年又推出的一种新型数字蜂窝技术，它利用数字传输方法，采用扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率，具有容量大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点，将移动通信技术推向发展新阶段。CDMA（码分多址连接）蜂窝系统与FDMA（频分多址连接）和TDMA（时分多址连接）系统相比，CDMA系统具有以下突出优点：

    （1）抗干扰性能好由于CDMA 经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频带的窄带共存，而不影响其正常工作。 　　

    （2）抗多径衰落能力强多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题，通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服，还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用多径信号提供路径分集，这样不但缓和瑞利衰落，而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落，从而大大提Qualcomm.html' target='_blank'>高通信质量。　

    （3）系统容量增大对于FDMA与TDMA，若小区的频点或时隙一分配完，则小区就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统，在指定的干扰电平下，即使用户数已达到限定数目时，也还允许增加个别用户，其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比要求，而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍，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）通信质量好CDMA系统采用直接序列扩频技术，综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应，可以获得很强的抗干扰能力，加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切换技术，保证了CDMA的通信质量，特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比，波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音和数据传输。　　

    （5）频率利用率高CDMA系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其频率复用率为2/3（FDMA和TDMA的频率复用率为1/7），不需要FDMA和TDMA那样进行频率配置，大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。

　　（6）多址能力强CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小，它与使用的扩频编码方案有关，与同时发送信号的用户间的多址干扰（即扩频编码的相关特性）有关，与允许的接收质量有关（输出信噪比），因此同时工作用户间的多址干扰越低，能允许的接收质量越低，CDMA技术的多址能力就越强。

    （7）高度可靠的保密安全性CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，若再加一定的加密算法技术，能大大提高通信保密性能，这是FDMA、TDMA系统所无法比拟的。分析其采用的扩频系统，要想截获别人的通信内容几乎是不可能的，如只要机内锂电池不放完电，它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态，即使是连续工作，它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等，使通信的保密性更为可靠。

    （8）手机功耗小CDMA采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电平，从而使平均发射功率减小，FDMA的最小功率为5mW、平均发射功率为794 mW、峰值功率为3W，而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5 mW、 峰值功率为100mW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低，从而使系统容量增加，减少了小区数和降低设备成本。

    Q2-5：ZigBee与现有数传电台的比较有哪些特点？

    A：其优点如下：

    （1） 可靠性高：由于ZigBee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高；

    （2） 使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，ZigBee收法模块体积可以做得很小，而且功耗低，最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多，因而很容易集成或直接安放在到设备之中，不仅使用方便，而且在户外携带使用时不容易受到损坏；

    （3） 抗干扰力强，保密性好，误码率低：ZigBee收发模块使用的是2.4G 直序扩频技术，比起一般FSK,ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距离；

    （4） 免费频段：ZigBee使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请，而且每年都需要向国家无委会交纳相当的频率使用费；

    （5） 价格低： ZigBee数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一。

    3 网络技术篇

    Q3-1：ZigBee是具有怎样的无线数据传输网络？

    A：简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络，ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。

    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。

　　与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个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作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，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）可以支持多达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。

    Q3-2：ZigBee所采用的自组织网是怎么回事？

    A：举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。他们预先无法判断谁雨，而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

    Q3-3：ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？

    A：网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

    Q3-4：为什么自组织网要采用动态路由的方式？

    A：所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状网拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

    Q3-5：ZigBee 和现有的通信移动网（GPRS，CDMA-1X）比较有哪些特点？

    A： 其特点为：

    （1） 无网络使用费：使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算的，而ZigBee没有这笔费用；

    （2） 设备投入低：使用移动网需要购买移动终端设备，每个终端的价格在人民币1000元上下，而使用ZigBee网络，不仅ZigBee网络节点模块（相当于基站）费用每只人民币不到1000元，而且，主要使用的网络子节点（相当于手机）的价格还要低得多；

    （3） 通信更可靠：由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信速率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠信、连续性在许多情况下也得不到保证。而ZigBee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证；

    （4） 高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同,功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个ZigBee局部自动化控制网，再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控；

    （5） 比起现有的移动通信网来，尽管ZigBee仅仅只是一个局域网，但通过供足够的数据出口，它可以“无限”扩大它的覆盖范围，而且可以与现有的移动网，互联网和其它通信网络相连接。并通过这些网络将许多个ZigBee局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题：我们知道，现有移动网络在许多地方存在盲区，特别是铁路，公路，油田，矿山等野外，更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的，此时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往是现在唯一可行手段。

    Q3-6：ZigBee怎样实现远距离遥测遥控？

    A：ZigBee 网络还可以通过接口卡等多种方式，与互联网，GPRS网,CDMA1x网以及其它通信系统线连接，从而实现远程操控。你也可以通过其它网络，将两个或多个局部ZigBee 网络连接在一起。

    4 市场应用篇

    Q4-1：ZigBee技术有哪些应用领域？

    A：ZigBee技术的目标就是针对，工业，家庭自动化，遥测遥控，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。

    Q4-2：ZigBee实现了哪些工业现场对无线数据传输的要求？

    A：要求低功耗，低数据量（250KPS）,低成本，使用免费的ISM频段（2.4G）,高的抗干扰性能的直序扩频通信方式(DSSS)，高保密性(64位出厂编号和支持AES-128加密)，高集成度和高的可靠性；节点模块之间具有自动动态组网的功能，采用了包括网状网在内的拓扑结构，使用了碰撞避免机制，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

    Q4-3：ZigBee可以在哪些方面拓展应用？

    A：ZigBee应用：其范围非常广泛，可以针对工业自动化、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。实际应用举例如下：照明控制、环境控制、自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒及万能遥控器、暖气控制、家庭安防、工业和楼宇自动化。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。

    Q4-4：凡符合什么条件的短距离通信就可以考虑采用ZigBee技术？

    A：通常，符合如下条件之一的短距离通信就可以考虑应用ZigBee：　　
    （1）需要数据采集或监控的网点多；
    （2）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；
    （3）要求数据传输可靠性高，安全性高；
    （4）要求设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
    （5）可以用电池供电；
    （6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；
    （7）对于那些现有的移动网络的盲区进行覆盖；
    （8）已经使用了现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。

    Q4-5：ZigBee技术在我国的应用情况怎样？

    A：尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这项新技术，而且也有不少企业开始涉足ZigBee技术的开发，然而，考虑到ZigBee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须用网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，所以对于初期开发的企业来说具有一定的技术难度。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日。但是目前已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。

    5 ZigBee联盟

    Q5-1 ZigBee联盟的使命是什么？

    A：ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

    Q5-2 ZigBee联盟的目标是什么？

    A：ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。

    Q5-3 ZigBee联盟所锁定的焦点是什么？

    A：其焦点为制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌并争取市场的关注；管理技术的发展。

    Q5-3 ZigBee联盟在标准上所做的工作是什么？

    A：ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

    ZigBee联盟强调设备的互通性：很多近距离电子产品嵌入了ZigBee模块都已具有ZigBee功能，还有许多各种产品预留了ZigBee的接口以备日后随时升级。各类网关产品的开发也得到进一步开发，网关产品支持ZigBee系统与家居控制网络、智能建筑网络及商用网络等现有的设施互联等。