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zigbee技术资料整理
Zigbee技术资料搜集整理
一、Zigbee技术
1、简介
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通信的需求越来越强烈。
正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。
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和发展的通信方式，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，以此作为新一代无线通讯技术的名称。
ZigBee过去又称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为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。
（建立基站成本低是个很大优势，便于小区组网）
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（NetworkCoordinator），整个网络最多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个NetworkCoordinator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。
4、ZigBee协议框架
Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。
与其他无线标准如802.11或802.16不同，Zigbee和802.15.4以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。
ZigBeeV1.0版本的网络标准连同灯光控制设备描述已于2004年底推出，其它应用领域及相关设备的描述也会在随后的时间里陆续发布。
如图1所示。
图1 ZigBee协议框架
在标准规范的制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBeeAlliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者的角色分工就如同IEEE802.11小组与Wi-Fi之关系。
在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC与PHY（物理层）规范，在2003年5月通过802.15.4标准，802.15.4任务小组目前在着手制订802.15.4b标准，此标准主要是加强802.15.4标准，包括：
解决标准有争议的地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。
ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。
802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟。
ZigBee兼容的产品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其频段是免费开放的，分别为2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。
采用ZigBee技术的产品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16个信道）、在915MHz提供40kbit/s（10个信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1个信道）的传输速率。
传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于10m到100m之间，一般是30m左右。
由于ZigBee使用的是开放频段，已有多种无线通讯技术使用。
因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术。
同时，PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。
在这3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。
而在915MHz和868MHz方面，则采用BPSK的调制技术。
相比较2.4GHz频段，900MHz频段为低频频段，无线传播的损失较少，传输距离较长，其次此频段过去主要是室内无绳电话使用的频段，现在因室内无绳电话转到2.4GHz，干扰反而比较少。
在MAC层上，主要沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输，若产生碰撞，则稍后一段时间重传。
在网络层方面，ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑，也允许两者的组合，称为丛集树状。
根据节点的不同角色，可分为全功能设备（Full-FunctionDevice；FFD）与精简功能设备（Reduced-FunctionDevice；RFD）。
相较于FFD，RFD的电路较为简单且存储体容量较小。
FFD的节点具备控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。
ZigBee协议套件紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件需要32K字节的ROM，最小功能协议软件需求大约4K字节的ROM。
5、玩转芯片还是玩转模块（从下文资料所叙述和我们自身的技术优势来看，建议玩转模块）
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。
目前市场上的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。
即便现在许多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。
不过目前来说，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
各大公司ZigBee模块
DIGI
赫立讯
上海数传
上海顺舟
深圳鼎泰克
北京云天创
XBee模块
IP-LINK1223
IP-LINK1324
DT8836AA
DT8836BB
SZ05
DRF1601
ATZGB-780F1
ATZGB-2400F1
工作频率（Hz）
2.4G
2.4G
454~472M
2.4G
2.4G
2.4G
2.4G
779~
936M
2.4G
可用频段数（个）
16
16
不详
16
16
16
16
4
16
无线速率（Kbps）
250
250
2.4~256
1000
1000
250
250
250
20~1000
发射功率（dBm）
0
0
20
不详
不详
25
4
10
3
接收灵敏度（dBm）
-92
-95
-110
不详
不详
-94
-96
-110
-101
发射电流（mA）
45
29
<94
35
200
<70
34
29
21
接收电流（mA）
50
27
25
不详
不详
<55
25
19
20
休眠电流（uA）
<10
<4
<1
5
10
30
不详
0.5
0.3
工作电压范围（V）
2.8~3.4
1.8~3.6
1.8~3.6
1.8~3.6
3.3~5.5
5
5~12
1.8~3.6
1.8~3.6
工作温度范围（℃）
-40~80
-20~70
-40~80
-40~80
-40~80
-40~80
-40~80
-40~80
-40~80
无PA室内通信距离（m）
30
不详
不详
不详
不详
不详
100
100
100
无PA室外通信距离（m）
100
100
1500
100
100
2000
400
700
350
6、ZigBee性能分析
A．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
B.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。
C．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。
D．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。
E．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bluetooth-------每个网络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。
bluetooth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。
二、Zigbee@RF4CE
RF4CE是新一代家电遥控解标准和协议，其中RF即射频（RadioFrequency），4是指"for"（four同音），CE即消费电子（ConsumerElectronics）。
为了在家用电器市场普及射频操控技术，并避免新技术的引入成为产品设计的障碍，2008年，消费电子大厂索尼（Sony）、飞利浦（Philips）、松下（Panasonic）、三星（Samsung）与主要低功耗RFIC厂商飞思卡尔（Freescale）、德州仪器（TI），以及OKI共同成立RF4CE（RadioFrequencyforConsumerElectronics）联盟（RF4CEConsortium）。
2009年3月，RF4CE联盟同意与ZigBee联盟（ZigBeeAlliance）合作共同开发基于ZigBee/IEEE802.15.4，并用于家电遥控的射频新标准。
从此，射频遥控终于有望彻底取代传统红外技术。
RF4CE不但能提高操作的可靠性;提高信号的传输距离和抗干扰性;使信号传递不受障碍物影响;还能实现双向通信和解决不同电器的互操作问题，遥控器电池寿命也可显著延长。
消费者将不再需要用遥控器的发射端准确指向电器的接收端，也不再需要数个遥控器来操作家中不同的电子设备。
三、Zigbee@Pro与Zigbee@RF4CE的异同
zigbeepro可以说是zigbee的升级版协议，有很多增强型的功能，比如轮流寻址、多对一路由、更高的安全性能等等，另外，实际上能支持的网络节点要远多于老版zigbee协议，更接近于商业应用。
从底层来讲，zigbee与RF4CE协议都是遵循802.15.4规范的，主要的区别在于应用的目的不同，zigbee主要是针对无线传感网的，动态组网是是主要的特点；而RF4CE只针对家电的控制，相对来说，网络功能没有zigbee强，但其需要的资源也会小很多。
具体来讲，RF4CE的网络结构主要是一对一和一对多的结构，相对zigbee要简单得很多。
四、ZigBee-WiFi二者对比及各优势
硬件内存需求对比：
ZigBee：
32~64KB+；WiFi：
1MB+；ZigBee硬件需求低。
电池供电上电可持续时间对比：
ZigBee：
100~1000天；WiFi：
1~5天；ZigBee功耗低。
传输距离对比（一般用法，无大功率天线发射装置）：
ZigBee：
1~1000M；WiFi：
1~100M；ZigBee传输距离长。
ZigBee劣势：
网络带宽对比：
ZigBee：
20~250KB/s；WiFi：
11000KB/s；ZigBee带宽低，传输慢。
摘抄：
相同点：
1.二者都是短距离的无线通信技术；
2.都是使用2.4GHz频段
3.都是采用DSSS技术；
区别：
1.传输速度不同。
ZigBee的传输速度不高（<250Kbps），但是功耗很低，使用电池供电一般能用3个月以上；WiFi，就是常说的无线局域网，速率大（11Mbps），功耗也大，一般外接电源；
2.应用场合不同。
ZigBee用于低速率、低功耗场合，比如无线传感器网络，适用于工业控制、环境监测、智能家居控制等领域。
WiFi，一般是用于覆盖一定范围（如1栋楼）的无线网络技术（覆盖范围100米左右）。
表现形式就是我们常用的无线路由器。
在一栋楼内布设1个无线路由器，楼内的笔记本电脑（带无线网卡），基本都可以无线上网了。
3.市场现状ZigBee作为一种新兴技术，自04年发布第一个版本的标准以来，正处在高速发展和推广当中；目前因为成本、可靠性方面的原因，还没有大规模推广；WiFi，技术成熟很多，应用也很多了。
总体上说，二者的区别较大，市场定位不同，相互之间的竞争不是很大。
只不过二者在技术
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