發布日期：2022-07-14 點擊率：96
1、引言
隨著通信技術的快速發展，短距離無線通信技術已經成為通信技術中的一大熱點。各種網絡終端的出現、工業控制的自動化和家庭的智能化等都迫切需要一種具備低成本、近距離、低功耗、組網能力強等優點的無線互聯標準，Zigbee就是在這樣的背景下應運而生的。Zigbee聯盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司和荷蘭飛利浦半導體公司共同宣布，將加盟“Zigbee聯盟”來研發下一代無線通信標準“Zigbee”。這一標準主要用于近距離無線連接，適合承載數據流量較小的工業控制、醫用設備控制、汽車自動化、農業自動化和消費性電子設備等。
2、Zigbee技術
（1）Zigbee與.4
Zigbee是基于.4無線標準研制開發的關于組網、安全和應用軟件等方面的技術標準。Zigbee技術并不是完全獨立、全新的標準，它的物理層、MAC層采用了.4協議標準。
.4標準是由IEEE無線個人局域網（PAN）工作組制定的。這一標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速率連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監測等應用領域。.4工作在工業科學醫療（ISM）頻段，定義了兩個物理層，即頻段物理層和868MHz（歐洲）/915 MHz（北美）頻段物理層。在.4標準中，總共分配了27個具有三種速率的信道：在2.4 GHz頻段有16個速率為250 kbit/s的信道，在915 MHz頻段有10個40 kbit/s的信道，在868 MHz頻段有1個20 kbit/s的信道。
Zigbee聯盟在.4物理層、MAC層的基礎上，對其網絡層協議和應用程序接口（API）進行了標準化，并對安全層進行了開發。完整的Zigbee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。應用匯聚層是把不同的應用映射到Zigbee網絡上，主要包括安全屬性設置和多個業務數據流的匯聚等功能；網絡層則可實現網絡的自組織和自維護，從而降低了網絡的維護成本。Zigbee協議構架如圖1所示。
圖1 Zigbee協議構架
（2）Zigbee的特點
Zigbee技術在短距離無線通信領域有著較大的優勢，這主要是它的自身特點決定的。Zigbee的特點如下。
低功耗：在低功耗待機狀態下，兩節五號干電池可使用6～24個月，從而免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。
短時延：Zigbee的響應速度快，一般從休眠轉入工作狀態只需要15ms，節點接入網絡只需30ms，進一步節省了電能。
低速率：Zigbee工作在20～250kbit/s的較低速率，滿足低速率數據傳輸的要求。
近距離：有效覆蓋范圍為10～100m，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。
低成本：Zigbee簡單而緊湊的協議大大降低了其對通信控制的要求，而且Zigbee免協議專利費。
大容量：Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，最多可組成65000個節點的大網。
高安全性：Zigbee提供了數據完整性檢查和鑒權能力，采用AES-128加密算法。
免執照頻段：采用直接序列擴頻在工業科學醫療（ISM）頻段，（全球）、915MHz（美國）、868MHz（歐洲）。
（3）Zigbee與藍牙技術的比較
Bluetooth（藍牙）技術是一種無線數據與通信的開放性標準，它基本上只是設計作為有線的替代品。藍牙也工作在ISM頻段，使用跳頻頻譜擴展技術。它可以在不充電的情況下工作幾周，但無法工作幾個月，更不可能達到幾年。一般情況下，藍牙同一時間只能處理8個設備，如果更多的話，通信速率將顯著下降。
藍牙技術和Zigbee都致力于短距離無線連接，有很多相似之處，但也有很多不同點。Zigbee與藍牙的特征比較如表1所示。
表1 Zigbee與Bluetooth特征比較
由表1我們可以清楚地看到Bluetooth技術集中在1Mbit/s以上的速率，而且在能量持續時間、節點數以及反應時間等方面都無法與Zigbee相比擬。可以說Zigbee填補了低速率端無線通信技術的空缺，而且它與其他標準在應用上幾乎是無交叉的，這使得Zigbee在工業控制、無線傳感器網絡等領域中比Bluetooth更具有優勢。
3、Zigbee的高節能性
Zigbee之所以得到眾多廠商的大力支持，其低功耗特性是主要原因之一。對電池供電的簡單器件而言，更換電池的花費往往比器件本身的成本還要高。在有些應用中，更換電池不僅麻煩，而且實際上是不可行的，如嵌在汽車輪胎中的氣壓傳感器或高密度布設的大規模傳感器網絡。
由于Zigbee應用的低帶寬要求，Zigbee節點可以在大部分時間內處于睡眠狀態，以節省電池能量。當需要發送數據時，節點將被快速喚醒并進入發送數據狀態，結束發送后又會轉入睡眠狀態。Zigbee可以在15ms或更短的時間內由睡眠狀態進入工作狀態，因此即使處于睡眠狀態的節點也能做到低時延。
Zigbee強大的節能性大部分應歸功于.4技術，因為后者本身就是為低功率而設計的。例如，.4采用DSSS（直接序列擴頻）技術取代FHSS（跳頻頻譜擴展）技術，因為跳頻頻譜擴展技術為了保持同步跳頻會消耗較多的功率。
Zigbee采用一種“準備好才發送”的通信策略，它只在有數據要發送時才發送數據，然后再等待自動確認。“準備好才發送”是一種“面對面”式的方案，是一種能量效率非常高的方案。而且，這種“面對面”式策略使得射頻干擾非常低，這主要是由于Zigbee節點具有非常低的占空比，只偶爾發射信號且只發送少量的數據。
不過，Zigbee的“準備好才發送”方案并不是萬能的。例如，在一個由成千上萬個微型傳感器構成的網絡中，這種方案節省的能量可能仍不夠用。由于每個網絡節點都定期發送數據，而且數據必須經過附近其他的節點多次反復傳送才能到達網絡控制器，大量的數據包沖突和重復傳送會浪費能量，這樣就會縮短傳感器節點的電池壽命。如果傳感器電池非常小并且能量有限的話，就不能滿足系統供電的要求。
但Zigbee仍有更多的節能設計。它通過減少對相關處理的需要來進一步節省能量。Zigbee協議棧非常簡單，占用很少的內存，一個8位處理器就可以輕松地完成Zigbee的任務，例如一個功能強大的全功能設備（FullFunctionDevice，FFD）需要大約32KB內存，而一個精簡功能設備（Reduced Function Device，RFD）只需要4 KB內存。而藍牙技術則需要約250 KB的內存，Zigbee相對簡單地實現也節省了費用。
4、Zigbee技術的應用前景
Zigbee的出發點是要發展一種容易建設的低成本無線網絡。依據Zigbee聯盟和參與聯盟的主要廠商的基本設想，產品應提供一站式的解決方案，使不熟悉RF技術的人員也能迅速上手。因此其產品不僅提供RF的無線信道解決方案，同時其內置的協議棧可完成Zigbee的通信、組網等無線溝通方面的工作，用戶只需要根據協議提供的標準接口進行應用軟件編程即可。
Zigbee主要應用于距離短、數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。通常，符合下列條件的應用都可以考慮采用Zigbee技術：設備距離短；設備成本低、數據傳輸量小；設備體積小，沒有充足的電力支持；需要覆蓋的范圍較大，網絡內需要容納的設備較多；網絡主要用于監測或控制。例如，PC外設（鼠標、鍵盤、游戲操控桿等）、消費類電子設備（VCR、DVD等設備的遙控裝置）、家庭智能控制（照明、煤氣計量和報警等）、玩具、醫療護理和工業控制等領域。
下一篇： PLC、DCS、FCS三大控
上一篇： 無線技術提高采礦效率
