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Zigbee技术及其应用技术
Zigbee技术及其应用
2013-09-2121:
37:
38| 分类：
Zigbee技术 | 标签：
zigbee 通信 组网 应用 |字号 订阅
ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。
ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。
其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。
ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
ZigBee网络中设备的可分为协调器（Coordinator）、汇聚节点（Router）、传感器节点（EndDevice）等三种角色。
[1]
与此同时，中国物联网校企联盟认为：
zigbee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。
起源
ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙相类似。
是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用（SensorandControl）。
由IEEE802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。
2001年8月，ZigBeeAlliance成立。
2004年，ZigBeeV1.0诞生。
它是Zigbee规范的第一个版本。
由于推出仓促，存在一些错误。
2006年，推出ZigBee2006，比较完善。
2007年底，ZigBeePRO推出。
2009年3月，ZigbeeRF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。
2009年开始，Zigbee采用了IETF的IPv66Lowpan标准作为新一代智能电网SmartEnergy（SEP2.0）的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。
随着美国及全球智能电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标准所取代。
ZigBee的底层技术基于IEEE802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE802.15.4的定义。
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，这种无线传输必须是高可靠的，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年正式问世。
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HomeRFLite。
长期以来，低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。
蓝牙的出现，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，
但是蓝牙的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。
如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。
IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。
它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。
互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。
以前许多标准化组织和研究者认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络，因此都是采用非IP技术。
在实际应用中，如zigbee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。
与此同时，与zigbee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。
IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比zigbee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。
IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范6Lowpan[2]、面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议RPL[3]、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP[4]，相关的标准规范已经发布[5]。
IETF组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一些列白皮书[6]。
IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网ZigbeeSEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFIDISO1800-7.4（DASH）等。
IPv6/6Lowpan具有诸多优势：
可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而zigbee技术路由器不能休眠，应用领域受到限制。
6Lowpan标准已经得到大量开源软件实现，最著名的是Contiki[7]、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。
IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。
特性
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。
相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。
该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。
②低成本。
通过大幅简化协议（不到蓝牙的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免协议专利费。
每块芯片的价格大约为2美元。
③低速率。
ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，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、使用访问控制清单（AccessControlList,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。
使用工业科学医疗（ISM）频段，915MHz（美国）,868MHz（欧洲）,2.4GHz（全球）,。
由于此三个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6MHz,2MHz和5MHz。
分别有1个,10个和16个信道。
这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。
扩频都使用直接序列扩频（DSSS），但从比特到码片的变换差别较大。
调制方式都用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。
在发射功率为0dBm的情况下，蓝牙通常能有10米的作用范围。
而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米（TICC2530不加功率放大）。
所以ZigBee可归为低速率的短距离无线通信技术。
无线数据传输
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75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
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，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。
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。
数据采集
ZigBee数据采集应该来说开创了ZigBee技术的另外一种实用型技术，ZigBee厂商里面，顺舟科技的数据采集，具体涉及到模拟量、开关量的采集，如下表所示：
SZ06
-XXX
-X
-X
-X
-X
产品系列
传输距离
输入输出
接口数量
电源电压
壳体类型
SZ06系列
-00（高低电平采集）
1-16个
DC5~24V
-L铝合金
-01（开闭状态输入采集）
-02（高低电平控制输入）
-03（开闭状态控制输入）
-04（高低电平输出）
-05（4-20MA输入）
-06（0-200MV输入）
-07（0-3.3V输入）
-08（0-5V输入）
-09（DS18B20温度传感器）
-10（PT100温度传感器）
-11（AM302温湿度传感器）
-12（可燃气体采集）
-13（灯光控制）
-14（浸水报警）
-15（粉尘检测）
-16（甲醛检测）
说明
型号SZ06-200-（05-4-08-2）-L，表示顺舟科技SZ06系列无线数据采集设备、空旷场地传输距离为200米、2个类型的输入接口、4路4-20MA输入和2路0-5V电压输入、铝合金外壳
另外根据技术的不同，会有不同的应用。
比如根据智能家居又独立出终端设备，具体可到顺舟科技官网了解。
组网通信方式
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降
zigbee自组织网通信方式
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。
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。
ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？
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。
为什么自组织网要采用动态路由的方式？
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。
ZigBee与GNURadio
GNURadio是免费的软件开发工具套件。
它提供信号运行和处理模块，用它可以在易制作的低成本的射频（RF）硬件和通用微处理器上实现软件定义无线电。
这套套件广泛用于业余爱好者，学术机构和商业机构用来研究和构建无线通信系统。
GNURadio的应用主要是用Python编程语言来编写的。
但是其核心信号处理模块是C++在带浮点运算的微处理器上构建的。
因此，开发者能够简单快速的构建一个实时、高容量的无线通信系统。
尽管其主要功用不是仿真器，GNURadio在没有射频RF硬件部件的境况下支持对预先存储和（信号发生器）生成的数据进行信号处理的算法的研究。
性能
1．数据速率比较低，在2.4GHz的频段只有250Kb/S，而且这只是链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，因此不适合做视频之类事情。
适合的应用领域——传感和控制
2.在可靠性方面，ZigBee有很多方面进行保证。
物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，MAC应用层（APS部分）有应答重传功能。
MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。
当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。
3．时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。
4．能耗特性能耗特性是ZigBee的一个技术优势。
通常ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低。
在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。
由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。
5．组网和路由性——网络层特性
ZigBee大规模的组网能力——每个网络65000个节点，而每个蓝牙网络只有8个节点。
因为ZigBee底层采用了直扩技术，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快。
蓝牙通常需要3秒。
在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持多播和广播特性，能够给丰富的应用带来有力的支持。
学习方法
ZigBee作为一种个人网络的短程无线通信协议，已经日益为大家所熟知，它最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，理论上可以使ZigBee覆盖的通讯面积无限扩展。
相对蓝牙，红外的点对点通信，和WLAN的星状通信，ZigBee的协议就要复杂得多了。
那么我们究竟是该选择ZigBee芯片去自己开发协议呢，还是直接选择已经带有了ZigBee协议的模块直接应用呢？
玩转芯片的代价：
开发时间周期长；人力和技术储备雄厚。
市场上的ZigBee射频收发“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。
而单芯片也只是把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路，但这种单芯片也并没有包含ZigBee协议在里面。
这两种情况都需要用户根据单片机的结构和寄存器的设置并参照物理层部分的IEEE802.15.4协议和网络层部分的ZigBee协议自己去开发所有的软件部分。
这个工程量对于做实际应用的用户来讲是很大的，开发周期以及测试周期都是非常之长的，更由于是无线通讯产品，它的产品质量也不是很容易得到保障的。
即便许多ZigBee公司都提供自家芯片的ZigBee协议栈，但这只是提供一种协议的功能，而并不代表它具有真正的可应用性和可操作性，因为它并没有提供一个对用户的数据接口的详细描述，用户怎么才能不顾及芯片内部的程序而很简单轻松的就把自己的数据通过芯片发送出去，甚至组成路由获取传送更远方产品的数据，这都不是只包括了ZigBee协议栈的芯片就能简单实现的，ZigBee协议栈只是说它有了协议的所有组成部分，而究竟怎么把每部分结合并有条不紊的运转起来，并怎么实现和用户自己数据的协议通讯？
一个只包含了ZigBee协议栈的芯片是不可能实现得了的。
直白点讲，这些需要用户根据完整的协议代码和自己上层的通讯协议，再去一点一点每个部分的去修改协议栈中的内容，才能完成简单的数据无线收发，而要完成一条路由，甚至整个网络的通信，那调试测试的时间则会需要更长的。
那么对于做实际应用的用户来讲将会大大耽误开发周期，并且这种具有复杂协议的无线产品会具有更多的不定因素，更易受到外界环境条件的影响，在实际开发中遇到的问题将会五花八门，难于应付。
玩转模块的代价：
省去ZigBee开发周期，能在推广项目上抢到先机。
ZigBee模块是已经包含了所有外围电路和完整协议栈的能够立即投入使用的产品，已经经过了厂家的优化设计，和老化测试，有一定的质量保证。
优秀可靠的zigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑，体积小，贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到1200米不等，还包含了ADC，DAC，比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。
软件上包含了完整的ZigBee协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。
透传模块的好处在于用户不需要考虑模块中程序如何运行的，用户只需要将自己的数据通过串口发送到模块里，然后模块会自动把数据用无线发送出去，并按照预先配置好的网络结构，和网络中的目的地址节点进行收发通讯了，接收模块会进行数据校验，如数据无误即通过串口送出。
不过大多数用户应用Zigbee技术，都会有自己的数据处理方式，以致每个节点设备都会拥有自己的CPU以便对数据进行处理，所以仍可以把模块当成一种已经集成射频、协议和程序的“芯片”。
国内外各个ZigBee芯片厂商及模块厂商产品比对：
各厂商及芯片型号
Jennic
（JN5148）
TI（Chipcon）
（CC2530）
Freescal
（MC13192）
EMBER
（EM260）
ATMEL
（LINK-23X）
ATMEL
（Link-212）
工作频率（Hz）
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
779~928M
可用频段数（个）
16
16
16
16
16
4
无线速率（Kbit/s）
250
250
250
250
250~2000
20~1000
发射功率（dBm）
+2.5
+4.5
+3.6
+3
+3
+10
接收灵敏度（dBm）
-97
-97
-92
-97
-101
-110
最大发射电流（mA）
15
35
35
37.5
21
30
最大接收电流（mA）
18
24
42
41.5
20
14
休眠电流（uA）
0.2
1
1
1
0.28
0.5
工作电压范围（V）
2.0~3.6
2.0~3.6
2.0~3.4
2.1~3.6
1.8~3.6
1.8~3.6
硬件自动CSMA-CA
有
有
无
无
有
有
硬件自动帧重发
有
无
无
无
有
有
硬件自动帧确认
有
无
无
无
有
有
硬件自动地址过渡
有
有
无
无
有
有
硬件FCS计算功能
有
有
有
有
有
有
硬件清除无线通道确认
有
有
无
无
有
有
硬件RSSI计算功能
有
有
有
有
有
有
硬件AES/DES
有
有
有
有
硬件开放度
不开放
部分开放
部分开放
部分开放
全开放
全开放
ZigBee厂家
DIGI
顺舟科技
厦门四信
得瑞紫蜂
上海数传
深圳鼎泰克
北京云天创
型号
XBee模块
SZ05
SZ06
F8913
ZF1022/3
DT8836AA
DRF1601
ATZGB-780F1
工作频率
（GHz）
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
779~936M
可用频段数（个）
16
16
16
16
16
16
16
4
无线速率
（Kbps）
250
250
250
250
250
1000
250
250
发射功率
（dBm）
0
25
25
25
22
不详
4
10
接收灵敏度（dBm）
-92
-108
-108
-110
-102
不详
-96
-110
发射电流
（mA）
45
<70
<70
40
<130
35
34
29
接收电流
（mA）
50
<55
<55
28
26
不详
25
19
休眠电流
（uA）
<10
5
5
<0.4
<1
5
不详
0.5
工作电压
（V）
2.8~3.4
5
5-24
2.0~3.6
1.8~3.6
1.8~3.6
5~12
1.8~3.6
工作温度
（℃）
-40~80
-40~85
-40~85
-45~80
-20~70
-40~80
-40~80
-40~80
无PA室内通信距离
（m）
30
200
200
100
300
不详
100
100
无PA室外通信距离
（m）
100
2K
2K
500
1.2K
100
400
700
（此对比表格都仅对于贴片式便于嵌入的模块并仅依据各厂商的产品手册提供的性能参数进行对比，但是如上海数传等厂商，本人在官网上并没法找到详细的产品手册，也有部分厂商是模棱两可的参数说明，如此表格有错误的地方，欢迎使用过的或者了解其模块的朋友可以对表格进行修改完善。
）
国内做zigbee模块的厂商并不多，本人也只是挑选了部分个人熟知的厂商进行了一个小对比，部分厂商的产品本人也并未入手进行过测试，所以室内室外的通信距离本人并不是很清楚。
有些厂商会加外部功放，有些并没有加，以至于通信距离上来说都是不同的，并且无线通信产品特别是ZigBee，环境对其的通信距离影响很大，各厂商的实测环境也各不相同（有些是置高，有些是功放较大），产品手册上的通信距离最好只是作为一个衡量标准，仅供参考之用。
假如对这方面有兴趣的朋友，或者正想使用ZigBee进行现场应用的朋友，询问相关模块的时候最好将自己的需求进行一个较为清晰的定位，如距离、数据量、组网、应用场景等。
因为Zigbee为近距离、低功耗、小数据量的技术，所以具体应用要求比较高，
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