2019-11-26 13:52:28
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當(dāng)今世界通信技術(shù)迅猛發(fā)展，隨著Internet的迅速發(fā)展和個(gè)人對(duì)數(shù)據(jù)通信需求的快速增長(zhǎng)，全球通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)三大趨勢(shì)：無(wú)線化、寬帶化和IP化。互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展推動(dòng)了市場(chǎng)對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求，寬帶用戶數(shù)量在全球呈現(xiàn)出非常強(qiáng)勢(shì)的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。在眾多的寬帶技術(shù)中，無(wú)線技術(shù)尤其是移動(dòng)通信技術(shù)成為近年來(lái)通信技術(shù)市場(chǎng)的最大亮點(diǎn)，是構(gòu)成未來(lái)通信技術(shù)的重要組成部分。
Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、高數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
一、ZigBee技術(shù)的起源與發(fā)展
在介紹ZigBee之前，要先提一下他的前輩——藍(lán)牙，在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對(duì)工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動(dòng)化，對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾。因此，經(jīng)過(guò)人們的長(zhǎng)期努力， Zigbee協(xié)議在2003年于美國(guó)正式問(wèn)世了。
Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“ Homerflite”技術(shù);2000年12月成立了工作小組起草EEE802.154標(biāo)準(zhǔn)， Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。
2002年下半年，英國(guó) vensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“ Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“ Zigbee”的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，這事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中的里程碑。
2004年12月 Zigbee10標(biāo)準(zhǔn)(又稱為 Zigbee2004)敲定，這使得 Zigbee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。
2005年9月公布 Zig bee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和BM公司加入了 Zigbee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。
2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出 Zigbee1.1版(又稱為 Zigbee2006)。該協(xié)議雖然命名為 Zigbee1.1，但是與 Zigbee10版是不兼容的
2007年10月完成再次修訂(稱為 Zigbee2007/PRO)。能夠兼容之前的 Zigbee2006版本，并且加入了 Zibgeepro部分，此時(shí) Zig beel聯(lián)盟更加專注于以下三個(gè)方面：家庭自動(dòng)化、建筑商業(yè)大樓自動(dòng)化、先進(jìn)抄表基礎(chǔ)建設(shè)。
二、ZigBee的技術(shù)原理
ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如，你可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立;每個(gè)移動(dòng)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣;每個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)對(duì)象，例如傳感器連接直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料; 除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。
每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以可支持多到31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備，每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式。可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。
三、ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。
自從馬可尼發(fā)明無(wú)線電以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)一直向著不斷提高數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的方向發(fā)展。例如：廣域網(wǎng)范圍內(nèi)的第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(3G)目的在于提供多媒體無(wú)線服務(wù)，局域網(wǎng)范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)從IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s的數(shù)據(jù)速率。而ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價(jià)的固定、便攜或者移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線通信技術(shù)。
四、這種無(wú)線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：
功耗低
工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右。同時(shí)，由于電池時(shí)間取決于很多因素，例如：電池種類、容量和應(yīng)用場(chǎng)合，ZigBee技術(shù)在協(xié)議上對(duì)電池使用也作了優(yōu)化。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間(工作時(shí)間+休眠時(shí)間)之比小于1%的情況，電池的壽命甚至可以超過(guò)10年。
數(shù)據(jù)傳輸可靠
ZigBee的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機(jī)制。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒(méi)有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。同時(shí)ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。
網(wǎng)絡(luò)容量大
ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)使它非常適宜支持簡(jiǎn)單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD)和簡(jiǎn)化功能器件(RFD)。對(duì)全功能器件，要求它支持所有的49個(gè)基本參數(shù)。而對(duì)簡(jiǎn)化功能器件，在最小配置時(shí)只要求它支持38個(gè)基本參數(shù)。一個(gè)全功能器件可以與簡(jiǎn)化功能器件和其他全功能器件通話，可以按3種方式工作，分別為：個(gè)域網(wǎng)協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器或器件。而簡(jiǎn)化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡(jiǎn)單的應(yīng)用。一個(gè)ZigBee的網(wǎng)絡(luò)最多包括有255個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是主控(Master)設(shè)備，其余則是從屬(Slave)設(shè)備。若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Network Coordinator)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過(guò)64000個(gè)ZigBee網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)Network Coordinator可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。
兼容性
ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用載波偵聽(tīng)/沖突檢測(cè)(CSMA-CA)方式進(jìn)行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。
安全性
Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無(wú)安全方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來(lái)轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接入控制清單(ACL)來(lái)防止非法器件獲取數(shù)據(jù)，在這一級(jí)不采取加密措施。第三級(jí)安全級(jí)別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對(duì)稱密碼。AES可以用來(lái)保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
實(shí)現(xiàn)成本低
模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee協(xié)議免專利費(fèi)用。目前低速低功率的UWB芯片組的價(jià)格至少為20美元。而ZigBee的價(jià)格目標(biāo)僅為幾美分。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。
時(shí)延短
通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms,休眠激活的時(shí)延是15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。
五、ZigBee的技術(shù)應(yīng)用
作為一種低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee有其自身的特點(diǎn)，因此有為它量身定做的應(yīng)用，盡管在某些應(yīng)用方面可能和其他技術(shù)重疊。ZigBee可能的一些應(yīng)用，包括智能家庭、工業(yè)控制、自動(dòng)抄表、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和電信應(yīng)用。
智能家居
家里可能都有很多電器和電子設(shè)備，如電燈、電視機(jī)、冰箱、洗衣機(jī)、電腦、空調(diào)等等，可能還有煙霧感應(yīng)、報(bào)警器和攝像頭等設(shè)備，以前我們最多可能就做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制，但如果使用了ZigBee技術(shù)，可以把這些電子電器設(shè)備都聯(lián)系起來(lái)，組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，甚至可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。
工業(yè)控制
工廠環(huán)境當(dāng)中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術(shù)把它們連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，加強(qiáng)作業(yè)管理，降低成本。
自動(dòng)抄表
抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個(gè)月或每個(gè)季度可能都要統(tǒng)計(jì)一下讀數(shù)，報(bào)給煤氣、電力或者供水公司，然后根據(jù)讀數(shù)來(lái)收費(fèi)。現(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來(lái)進(jìn)行抄表，逐家逐戶的敲門(mén)，很不方便。而ZigBee可以用于這個(gè)領(lǐng)域，利用傳感器把表的讀數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進(jìn)行抄表還可以帶來(lái)其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶，或者和節(jié)能相結(jié)合，當(dāng)發(fā)現(xiàn)能源使用過(guò)快的時(shí)候可以自動(dòng)降低使用速度。
醫(yī)療監(jiān)護(hù)
電子醫(yī)療監(jiān)護(hù)是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)。在人體身上安裝很多傳感器，如測(cè)量脈搏、血壓，監(jiān)測(cè)健康狀況，還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報(bào)警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時(shí)對(duì)人的身體狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)生問(wèn)題，可以及時(shí)做出反應(yīng)，比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報(bào)警器，可以通過(guò)ZigBee技術(shù)組成一個(gè)監(jiān)測(cè)的網(wǎng)絡(luò)，由于是無(wú)線技術(shù)，傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護(hù)的人也可以比較自由的行動(dòng)，非常方便。
傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用
傳感器網(wǎng)絡(luò)也是最近的一個(gè)研究熱點(diǎn)，像貨物跟蹤、建筑物監(jiān)測(cè)、環(huán)境保護(hù)等方面都有很好的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點(diǎn)低成本、低功耗，并且能夠自動(dòng)組網(wǎng)、易于維護(hù)、可靠性高。ZigBee在組網(wǎng)和低功耗方面的優(yōu)勢(shì)使得它成為傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的一個(gè)很好的技術(shù)選擇。
電信應(yīng)用
在2006年初的時(shí)候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術(shù)的SIM卡，并命名為“ZSIM”[5]。其實(shí)這種SIM卡只是把ZigBee集成在電信終端上的一種手段。而ZigBee聯(lián)盟也在2007年4月發(fā)布新聞，說(shuō)聯(lián)盟的成員在開(kāi)發(fā)電信相關(guān)的應(yīng)用[6]。如果ZigBee技術(shù)真得可以在電信領(lǐng)域開(kāi)展起來(lái)，那么將來(lái)用戶就可以利用手機(jī)來(lái)進(jìn)行移動(dòng)支付，并且在熱點(diǎn)地區(qū)可以獲得一些感興趣的信息，如新聞、折扣信息，用戶也可以通過(guò)定位服務(wù)獲知自己的位置。雖然現(xiàn)在的GPS定位服務(wù)已經(jīng)做得很好，但卻很難支持室內(nèi)的定位，而ZigBee的定位功能正好彌補(bǔ)這一缺陷。