ZigBee通信技术全知道

传感器技术 2019-03-20 18:00


文 | 传感器技术(WW_CGQJS)


ZigBee技术被认为是最有可能像WiFi、蓝牙一样改变我们现在生活的通信技术之一.ZigBee是让一些设备特别是传感器接入互联网的技术。


在家庭自动化控制和工业遥测遥控领域,对无线数据通信的需求越来越强烈,且这种无线数据传输必需是高可靠的,并能抵抗现场的各种电磁干扰。


Zigbee的特点就在于功耗更低,实时在线、同一个网关接入数量巨大并且可以自组网, 在物联网的发展中具有广阔的应用空间。



Zigbee技术


Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术,亦包含此寓意。



它是基于IEEE802.15.4协议发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。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,在整个网络范围内,每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。


ZigBee 的技术特点和性能


ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。



作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:


  1. 低功耗

    由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。


  2. 成本低

    ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。


  3. 低复杂性

    zigbee协议的大小一般在4-32KB,而蓝牙和wi-fi一般都超过100KB。


  4. 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。


  5. 网络容量大

    一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。 并且在一个网络中最多可以有65000个节点连接。


  6. 网络建立

    zigbee能够自动建立其所想要的网络。


  7. 可靠

    采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。


  8. 安全

    ZigBee提供了基于循环沉余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。


Zigbee的技术性能


1、ZigBee频带和数据传输率



ZigBee  无线可使用的频段有3  个,分别是2.4GHz  的 ISM  频段、欧洲的868MHz  频段、以及美国的 915MHz  频段,而不同频段可使用的信道分别是16  、 1  、 10 个;


ZigBee  在中国采用2.4G 的 ISM  频段,是免申请和免使用费的频率,在2.4G 的频段上具有 16 个信道,带宽为250K。 


2、短程无线网络标准



ZigBee  和 802.15.4 标准都适合于低速率数据传输,最大速率为250K,与其他无线技术比较,适合传输距离相对较近;ZigBee  无线技术适合组建WPAN 网络,就是无线个人设备的联网,对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。它的应用定位就是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。


3、无线网络标准的比较



ZigBee  无线的传输带宽在20-250KB/s 范围,适合传感器数据采集和控制数据的传输,可以组建大规模网络,网络节点容量达到65535 个,具有非常强大的组网优势;特有的低功耗设计,可以保证电池工作很长时间。


4、Zigbee物理信道



ZigBee  在 2.4G 的频段上具有 16 个信道,从 2.405GHz — 2.480GHz 间分布,信道间隔 是 5M,具有很强的信道抗串扰能力。 


5、Zigbee协议栈



ZigBee  采取了 IEEE 802.15.4  强有力的无线物理层所规定的全部优点,增加了逻辑网络、网络安全和应用软件,更加适合于产品技术的一致化,利于了产品的互连互通;ZigBee  继续与 IEEE 紧密结合,以保证向市场提供一种完整的集成解决方案。 


6、ZigBee网络拓扑结构



ZigBee技术具有强大的组网能力,可以形成星型、树型和MESH 网状网,可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。


MESH  网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能,网络可以通过“多级跳”的方式来通信;该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络;网络还具备自组织、自愈功能;星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。


7、ZigBee网络设备类型

7.1网络协调器:

包括所有的网络消息,是 3 种设备类型中最复杂的一种,存储容量最大、计算机能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、 寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。


7.2全功能设备(FFD):

  • 可以担任网络协调者,形成网络,让其它的 FFD 或是RFD连结,FFD 具备控制器的功能,可提供信息双向传输。


  • 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征


  • 更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。


  • 也可能做终端设备


7.3精简功能设备(RFD):

  • RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接收信息。


  • 附带有限的功能来控制成本和复杂性


  • 在网络中通常用作终端设备。


  • ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。


  • RFD 由于省掉了内存和其他电路,降 低了ZigBee部件成本,而简单的 8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。


8、Zigbee抗干扰能力

ZigBee在物理层采用高处理增益的直序/频率快变 DS/FA 技术(Direct Sequence / Frequency Agility),ZigBee的处理增益最大,抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强。具备的频率快变就是改变频率,以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力;



实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码率,特别是在信噪比为4dB 的情况下可达到10 -9  ;达到同样误码率,蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达 16dB,WLAN的802.11b 要达 10dB,Zigbee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN 技术。 


9、ZigBee可靠链路

9.1物理层RF 通信链路

  • 直序扩频采用高处理增益


  • 明晰的信道检测


  • 对干扰能量进行检测


  • 采用跳频技术 Freqency agility


9.2协议

  • 基于 CRC  的误码检测/校正


  • 采取了避免冲突的策略 CSMA/CA


  • 为固定带宽的通信业务预留了专业的有保证的时隙


  • 发送的数据包都有待于接受方的确认,如出现问题进行重发


  • 保持数据包的及时传输 Packet data freshness


9.3通信可靠机制

ZigBee采用了 CSMA-CA 的碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙,避免了发送数据使得竞争和冲突;明晰的信道检测;


MAC 层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包必须等待接受方的确认信息。


9.4网络的自组织、自愈能力强

ZigBee的自组织功能:无需人工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络;


ZigBee自愈功能:增加或删除一个节点,节点位置发生变动,节点发生故障等等,网络都能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,无需人工干 预,保证整个系统仍然能正常工作。


ZigBee技术 RF 物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。ZigBee技术在通信协议上的可靠设计,保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。


ZigBee联盟


ZigBee联盟成立于2001 年8 月。到目前为止,除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有百余家成员企业,并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP 服务提供商、消费类电子厂商及OEM 商等,例如Honeywell、Eaton 和InvensysMeteringSystems 等工业控制和家用自动化公司,甚至还有像Mattel 之类的玩具公司。


所有这些公司都参加了负责开发ZigBee 物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4 工作组。在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域,对于无线网络的要求与民用场合有很大区别。它通常对数据吞吐量的要求很低,功率消耗要低。


此外,简单方便、可以随意使用的无线装置大量涌现,需要布置大量的无线接入点,而低廉的价格将起着关键作用。所以ZigBee 标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计,这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。



IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)共同制定了ZigBee标准。ZigBee标准是一个正在发展中的低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准,它是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范。


IEEE于2000年12月成立了802.15.4小组,负责制定物理层(PHY)和媒体接人控制(MAc)层规范,于2003年5月通过了IEEE802.15、4标准;ZigBee联盟是一个全球企业联盟,旨在合作实现基于全球开放标准、可靠、低成本、低功耗的无线联网监控产品,它由Honeywell、Mitsubishi、Motorola、philips与Invensys共同成立,主要负责制定网络层、安全管理及应用界面规范,于2004年12月通过了 1.0版规范。


Zigbee技术应用


1、适合ZigBee传输的数据类型

  • 周期性数据

    传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据


  • 间断性数据

    工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制


  • 反复性低反应时间数据

    如鼠标键盘数据、操作杆的数据  


2、适合ZigBee技术的应用场合

设备成本低、传输数据量小,设备体积小,不便放置较大的充电电池或者电源模块,没有充足的电源支持,只能使用一次性电池。需要较大范围的通信覆盖,网络中的设备非常多,但仅仅用于监测或控制的环境。


3、Zigbee技术典型应用

3.1结合 Zigbee和 GPRS 的无线数据传输



利用 GPRS 网络传输基于 Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计,网络采用 星型或 MESH  网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式,有效降低了每Zigbee传感器节点的功耗,减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率,并利 用 GPRS  网络传输汇节点的数据,改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制,使网络具有非常显著的优点。


远程管理中心通过 GPRS 等公共信道与ZIGBEE 网络实现远程通信, 通过 GPRS 网络获取采集到的相关信息,实现对现场的有效控制和管理。


 3.2医疗监控系统



利用 ZIGBEE 技术组成一个网状路由网络,在楼道设置合适的路由节点,进行数据的中转,房间内的呼叫节点采用星型网络连接,由其中一个节点作为 ZIGBEE 路由器,负责与中心网络的连接和数据中继转发。所有的 ZIGBEE 路由器组成一个蜂窝网状网络,再与ZIGBEE 中心节点连接,中心节点设置在管理中心,构建成一个完整的 ZIGBEE 无线网络,是个通信非常可靠的网络结构。


3.3无线点餐系统 



餐厅 ZigBee无线节点网络,通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的ZigBee节点设备构成了完整的无线通讯网络,实现了信息处理的自动化; 服务员通过手持的点餐终端处理顾客的点单,用户订单通过终端和大厅内的 ZigBee  网络自动的上传到厨房和收银台,无线通信系统的 ZIGBEE 中心节点、无线 ZIGBEE 路由和无线点餐终端,够构成一个 蜂窝状的通信网络,任何一个节点以多调方式实现通信。 


其中任何一个 ZIGBEE  路由器,负责与中心网络的连接和数据中继转发;所有的 ZIGBEE 路由器组成一个蜂窝网状网络,与 ZIGBEE  中心节点连接,中心节点设置在总服务台,构建成一个完整的 ZIGBEE 无线网络,是个通信非常可靠的网络结构。


3.4智能交通控制系统



采用 ZIGBEE 和太阳能结合的无线控制系统,无须挖路布设控制线路,各设备之间实现无线自动组网连接,既降低了系统安装成本,更重要的是避免了传统安装方式对交通干 扰所带来的经济损失,而且也避免了由于城市快速发展,道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。


随着ZigBee技术的不断完善,它将成为当今世界最前沿的数字化无线技术。ZigBee所具有的低功耗、低成本、低速率和使用便捷等显著优势,使它必将有着广阔的应用前景。ZigBec联盟预言在未来的四到五年内,每个家庭将拥有50个ZigBee器件,最后将达到每个家庭150个。相信在不久的将来,会有越来越多的具有ZigBee功能的产品进人我们的生活,为我们的生活和工作带来极大的方便和快捷。



传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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