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Zigbee无线通信技术
摘要：ZigBee是基于IEEE802.15.4原则低功耗局域网合同。依照国际原则规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗无线通信技术。这一名称（又称紫蜂合同）来源于蜜蜂八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依托这样方式构成了群体中通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。重要合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜，低功耗近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传播无线网络合同。ZigBee合同从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传播层(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IEEE 802.15.4原则规定

核心词：ZigBee 技术特性 原则 合同 应用 系统

引言
ZigBee作为一种新兴近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场空缺，其成功核心在于丰富而便捷应用，而不是技术自身。咱们有理由相信在不远将来，将有越来越多内置式ZigBee功能设备进入咱们生活，并将极大地改进咱们生活方式和体验。

一、 Zigbee技术简介
什么是Zigbee？
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，达到互换信息目。可以说是一种小动物通过简捷方式实现“无线”沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率近程无线网络通信技术，亦包括此寓意。ZigBee联盟成立于8月，下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术里程碑。到当前为止，加盟ZigBee联盟不但仅只有当时四大公司，而是涵盖了IT领域以及其他行业150多家公司。
ZigBee技术特点
ZigBee 是一种新兴短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度无线网络技术；
ZigBee 采用了 IEEE 802.15.4 强有力无线物理层所规定所有长处 ：省电、简朴、成本又低规格；ZigBee 增长了逻辑网络、网络安全和应用层；
ZigBee 重要应用领域涉及无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；
二、Zigbee技术特性和性能分析
1. ZigBee 频带和数据传播率

ZigBee 无线可使用频段有 3 个，分别是 2.4GHz ISM 频段、欧洲 868MHz 频 段、以及美国 915MHz 频段，而不同频段可使用信道分别是 16 、1 、10 个；
ZigBee 在中华人民共和国采用 2.4G ISM 频段，是免申请和免使用费频率，在 2.4G 频段上 具备 16 个信道，带宽为 250K。

2.短程无线网络原则

ZigBee 和 802.15.4 原则都适合于低速率数据传播，最大速率为 250K，与其她无线技术比较，适合传播距离相对较近；
ZigBee 无线技术适合组建 WPAN 网络，就是无线个人设备联网，对于数据采集和控制 信号传播是非常适当。
ZigBee 技术应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。

3. 无线网络原则比较

ZigBee 无线传播带宽在 20-250KB/s 范畴，适合传感器数据采集和控制数据传播；
ZigBee 无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到 65535 个，具备非常强大组网优 势；
ZigBee 技术特有低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。

4.zigbee 技术优势
　　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突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
　　②低成本。通过大幅简化合同(不到蓝牙1/10) ,减少了对通信控制器规定,按预测分析,以80518位微控制器测算,全功能主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,并且Zigbee免合同专利费。每块芯片价格大概为2 美元。
　　③低速率。Zigbee工作在20～250 kbps较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 原始数据吞吐率,满足低速率传播数据应用需求。
④近距离。传播范畴普通介于10～100 m 之间,在增长RF 发射功率后,亦可增长到1～3 km。这指是相邻节点间距离。如果通过路由和节点间通信接力,传播距离将可以更远。
⑤短时延。Zigbee 响应速度较快,普通从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节约了电能。相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络构造,由一种主节点管理若干子节点,最多一种主节点可管理254 个子节点;同步主节点还可由上一层网络节点管理,最多可构成65000 个节点大网。
⑦高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,涉及无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高档加密原则(AES 128) 对称密码,以灵活拟定其安全属性。
⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。

5.Zigbee 物理信道

ZigBee 在 2.4G 频段上具备 16 个信道，从 2.405GHz — 2.480GHz 间分布，信道间隔 是 5M，具备很强信道抗串扰能力。

6. Zigbee 合同栈
•
ZigBee 采用了 IEEE 802.15.4 强有力无线物理层所规定所有长处
ZigBee 增长了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术一致化，利于产 品互连互通；
ZigBee 继续与 IEEE 紧密结合，以保证向市场提供一种完整集成解决方案。

7. ZigBee 网络拓扑构造

ZigBee 技术具备强大组网能力，可以形成星型、树型和 MESH 网状网，可以依照实际项目需要来选取适当网络构造；
MESH 网状网络拓扑构造网络具备强大功能，网络可以通过“多级跳”方式来通信； 该拓扑构造还可以构成极为复杂网络；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、距离相对较近应用。
8.ZigBee 网络设备类型
网络协调器：
涉及所有网络消息，是 3 种设备类型中最复杂一种，存储容量最大、计算 机能力强。发送网络信标、建立一种网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间路由消息、不断地接受信息。
全功能设备（FFD）：
可以担任网络协调者，形成网络，让其他 FFD 或是RFD连结，FFD 具备控制器功能，可提供信息双向传播。
附带由原则指定所有 802.15.4 功能和所有特性
更多存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。
也也许做终端设备
精简功能设备（RFD）：
RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接受信息。
附带有限功能来控制成本和复杂性
在网络中通惯用作终端设备。
ZigBee 相对简朴实现自然节约了费用。RFD 由于省掉了内存和其她电路，降 低了 ZigBee 部件成本，而简朴 8 位解决器和小合同栈也有助于减少成本。

9. Zigbee抗干扰能力
ZigBee 在物理层采用高解决增益直序/频率快变 DS/FA 技术（Direct Sequence / Frequency Agility）；
ZigBee 解决增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展能力也最强；
ZigBee 具备频率快变就是变化频率，以避开从一种已知干扰源或信号源来影响能力；
• 实验证明 IEEE 802.15.4/ZigBee 误码率，特别是在信噪比为 4dB 状况下可达到 10 -9 ； 达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达 16dB，802.11b 要达 10dB，Zigbee 抗干扰性能明显高于蓝牙和 WLAN 技术。

10.ZigBee 可靠链路
物理层 RF 通信链路
直序扩频采用高解决增益
明晰信道检测
对干扰能量进行检测
采用跳频技术 Freqency agility
合同
基于 CRC 误码检测/校正
采用了避免冲突方略 CSMA/CA
为固定带宽通信业务预留了专业有保证时隙
发送数据包均有待于接受方确认，如浮现问题进行重发
保持数据包及时传播 Packet data freshness
通信可靠机制
ZigBee 采用了 CSMA-CA 碰撞避免机制，同步为需要固定带宽通信业务预留了专 用时隙，避免了发送数据使得竞争和冲突；明晰信道检测；
MAC 层采用了完全确认数据传播机制，每个发送数据包必要等待接受方确认信 息。
网络自组织、自愈能力强
ZigBee 自组织功能：无需人工干预，网络节点可以感知其她节点存在， 并拟定连接关系，构成构造化网络；
ZigBee 自愈功能：增长或删除一种节点，节点位置发生变动，节点发生故 障等等，网络都可以自我修复，并对网络拓扑构造进行相应地调节，无需人工干 预，保证整个系统依然能正常工作。
ZigBee 技术 RF 物理层上设计保证了较强抗干扰能力和通信可靠性；
ZigBee 技术在通信合同上可靠设计，保证了较强抗干扰能力和通信可靠性。

三、Zigbee技术应用范畴
1.适合ZigBee 传播数据类型
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
重复性低反映时间数据:
如鼠标键盘数据、操作杆数据
2.适合 ZigBee 技术应用场合
设备成本低、传播数据量小
设备体积小，不便放置较大充电电池或者电源模块
没有充分电源支持，只能使用一次性电池
需要较大范畴通信覆盖，网络中设备非常多，但仅仅用于监测或控制
3.Zigbee技术典型应用
1、结合 Zigbee 和 GPRS 无线数据传播

系统概述
运用 GPRS 网络传播基于 Zigbee 无线传感器汇节点数据完整无线网络设计，网络采用 星型或 MESH 网状网络拓扑和需求时唤醒 Zigbee 模块通信方式，有效减少了每Zigbee 传感器节点功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时互相碰撞概率，并利 用 GPRS 网络传播汇节点数据，变化了老式无线传感器网络需要依托有线公共网络进行 数据传播限制，使网络具备非常明显长处；
运用 ZIGBEE 技术优势组建无线传感器网络数据传播网，并可以按照区域布置不同汇接点，这个汇接点就是 ZIGBEE 中心节点；
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 取采集到有关信息，实现对现场有效控制和管理。
系统应用
无线传感器网络 WSN
远程数据采集
远程控制网络
远程监测监控系统
远程集抄系统

2、 医疗监控系统
系统概述
运用 ZIGBEE 技术构成一种网状路由网络，在楼道设立适当路由节点，进行数据中转；
房间内呼喊节点采用星型网络连接，由其中一种节点作为 ZIGBEE 路由器，负责与中心 网络连接和数据中继转发；
所有 ZIGBEE 路由器构成一种蜂窝网状网络，再与ZIGBEE 中心节点连接，中心节点设立在管理中心，构建成一种完整 ZIGBEE 无线网络，是个通信非常可靠网络构造。
系统应用
医院医疗监护
医疗仪器数据采集
•
• 3.智能交通控制系统

系统概述
采用 ZIGBEE 和太阳能结合无线控制系统，不必挖路布设控制线路，各设备之间实现 无线自动组网连接，既减少了系统安装成本，更重要是避免了老式安装方式对交通干 扰所带来经济损失，并且也避免了由于都市迅速发展，道路拓展等变化对原有预埋管 线干扰。
系统应用
路口交通信号灯控制
远程交通信号控制
道路信息采集
停车收费系统
• 4、无线点餐系统

系统概述
餐厅 ZigBee 无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、解决中心布置 ZigBee
节点设备构成了完整无线通讯网络，实现了信息解决自动化；
内置无线 ZIGBEE 通信模块手持点餐终端，服务员通过手持点餐终端解决顾客点 单，顾客订单通过终端和大厅内 ZigBee 网络自动上传到厨房和收银台
无线通信系统 ZIGBEE 中心节点、无线 ZIGBEE 路由和无线点餐终端，够构成一种蜂窝状通信网络，任何一种节点以多调方式实现通信。 其中任何一种 ZIGBEE 路由 器，负责与中心网络连接和数据中继转发；
所有 ZIGBEE 路由器构成一种蜂窝网状网络，再与 ZIGBEE 中心节点连接，中心节 点设立在总服务台，构建成一种完整 ZIGBEE 无线网络，是个通信非常可靠网络构造。
系统应用
餐厅无线点餐系统
茶楼、咖啡馆、网吧、KTV 娱乐场合呼喊系统

四、 小结
ZigBee作为一种新兴近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场空缺，其成功核心在于丰富而便捷应用，而不是技术自身。咱们有理由相信在不远将来，将有越来越多内置式ZigBee功能设备进入咱们生活，并将极大地改进咱们生活方式和体验。
从802.15.4到ZigBee不难发现，这些原则目，就是但愿以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和RF遥控等领域。传递少量信息，例如：控制（Control）或是事件（Event）资料传递，都是ZigBee容易发挥战场。

参照资料：
· IPv6 6Lowpan原则规范  ．IETF
· IPv6 RoLL RPL低功耗路由合同  ．IETF]
· CoAP应用层规范  ．IETF
· IPv6 6Lowpan有关RFC原则  ．物联网开发论坛
· IPSO组织发布IPv6 6Lowpan有关白皮书  ．物联网开发论坛
· Contiki系统  ．百度百科
· zigbee联盟简介  ．电子发热友
· Spansion加入ZigBee联盟 加速物联网普及  ．eepw
· 新ZigBee合同亮相 提高物联网设备能效  ．网易
· ZigBee新原则通过认证  ．通信世界网