彻底读懂物联网关键技术之 ZigBee.docx

1、彻底读懂物联网关键技术之 ZigBee 彻底读懂物联网关键技术之-ZigBee -ZigBee! 一文彻底读懂物联网关键技术之 天前5智能制造IM 问答形式的 ZigBee道的关于口的说，你所需要知文采用你向详细地介绍了方方面面，不夸下 到！可以了解一切，在这里基本 义。协议的含讯以真正让人明白通点评：这篇文章可 电子发烧友/文 作为晓。，无人不可谓是无人不知鼎件和物联网领域，时下大名鼎的ZigBee在 智能硬和智联网用于物协议之一，主要应要之外，ZigBee是目前最重的无线通信除了WiFi、蓝牙，的说，不夸口绍了方方面面用，下文采问答形式向你详细地介能硬件等领域。关于ZigBee ！了解到这

2、里基本可以 要知道的关于ZigBee的一切，在你所需 Chapter1起源历史篇 ？术什么技 1ZigBee起源 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，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，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年中正式问世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究过 。Home RF Lite协议网络的通信面的向家庭 ？ZigBee么是 2

3、什 首先ZigBee的Mac层、PHY层是 IEEE802.15.4协议的。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动 控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）信息近远和位方在所 粉花递传伴同与”来蹈舞的“膀翅动抖）地zig”（嗡嗡和“翔飞靠是 的，也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者 。术传输技 无线信息种行为来形象地描述这种利们形象地用蜜蜂的这 ？特点技术有哪些 3ZigBee ：方面有以下几个 ZigBee的特点主要 ，个月节点工作6-245

4、号干电池可支持1个 （1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节 ；时工作数小工可以作数周、WiFi可以至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙甚 制信控低了对通低（不足蓝牙的1/10），降是 （2）低成本：通过大幅简化协议成本很 码，代点需要32KB算，全功能的主节的，按预测分析，以80518位微控制器测器的要求 ；专利免费码，而且ZigBee的协议子功能节点少至4KB代 ；用需求率传输数据的应率：ZigBee工作在250kbps的通讯速，满足低速 （3）低速率 加增，亦可RF发射功率后一围般介于10100m之间，在增加 （4）近距离：传输范将输距离信的接力，传。如果通过路由和节点间通邻到

5、1-3km。这指的是相节点间的距离 ；更远可以 连节点态只需15ms，状，一般从睡眠转入工作响 （5）短时延：ZigBee的应速度较快 ；3s、WiFi需要牙。相比较，蓝需要3-10s30ms接进入网络只需，进一步节省了电能 节子管理若干结构，由一个主节点网6（）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状络 最多，点管理由上一层网络节点管理254个子节；同时主节点还可点点，最多一个主节可 ；的大网组成65000个节点可 ）（ACL入控制清单用，包括无安全设定、使接三高 （7）安全：ZigBee提供了级安全模式 性；其安全属密对称码，以灵活确定加数防止非法获取据以及采用高级密标准（AES128）

6、的 欧），868MHz（段，915MHz（美国ISM：使8）免执照频段用工业科学医疗（）频 （ 。）（），2.4GHz全球洲 2MHz0.6MHz， 不同，分别为也信，并带此 由于三个频物理层不相同其各自道带宽 。扩别区有亦式方制调和频扩的带频个三这。道信个16和个10 ，个1有别分。5MHz和 相了调式都用较大。调制方的），但从比特到码片变换差别频都使用直接序列扩频（DSSS 。OQPSK用的是，而2.4GHz频段采术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK技 通内ZigBee在室作用范围。而有情况下，蓝牙通常能10米的 在发射功率为0dBm的 加功不（TI CC2530可以达到4

7、00米距离，在室外空旷地带甚至常能达到30-50米的作用 。放大）率 。信技术距离无线通低所以，ZigBee可归为速率的短 生产需求而日益增长的对可靠的无线数据传输化 4为什么说ZigBee是顺应工业自动 ？的 ，本低成低数据量，满足工业自动化中，对身 ZigBee 技术本，就是因为兰牙技术不能据 线数场，这种无。因为，对于工业现，高可靠性的无线数据通信的需求而产生的功低耗网拓状用网术中，使各种电磁干扰。ZigBee技输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的传这场的化控制现了满足工 业自动。，动态组网，直序扩频的方式就是为动扑结构，自路由 。要种需 Chapter2通信技术篇 ？协议使用那种 1Z

8、igBee IEEE802.15.4协议，这是一种低传送速率的无限PAN的协议。在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有 。责联盟负将面的工作由ZigBee层应用、测试和市场推广等方的标准，高 ？段免费频使用2.4G频段是 2为什么ZigBee无线通信 在我国和世界上大多数其他国家，一般使用无线电设备都是要付频率使用费的，包括手机通信，只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用，并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时，你首先要向国家相关部门申请频率使用许可，然后根据你的无线设备所使用的频率，功率大小和数量

9、收取费用。 这是一笔不小的费用，一般设备一年往往要交纳几千元的费用。而免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划 分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段），不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备， 。100mW过能率射，境市在例制的相做功使下环不在同境的用率了应限。如城环下发功不超 ？信吗距离通 3ZigBee仅适合近 ZigBee局域网络不仅可以通过提高每个节点模块的发射功率和接收灵敏度以及增加节点数量来扩展网络，而且还可以通过

10、传统的互联网去监控路途遥远的ZigBee控制网络。但 ：是注意的在进行扩张要是， （1）随着发射功率的增加，耗电量自然要增大，只要求耗电也大，便会失去ZigBee ；势低的优电能消耗很本身 。制率的限对于最大功但是不能超过电波法中） （2尽管2.4Ghz是免费频段， ？处么好信方式有什 4ZigBee采用直序扩频的通 同样的频段，采用不同的通信方式则结果也许会有很大的差别，例如ASK，FSK，FHSS，DSSS等的抗干扰能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。 ZigBee系统和CDMA系统一样，都采用的是直序扩频技术（DSSS），它是一种抗干扰能力极强，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你

11、使用过这两种技术的通信产品，你会发现两者在可靠性上不同凡 。响 由于扩频技术在正常通信时所要求的信噪比可以很低，也就是说，在干扰很强的环境下，它仍然能够正常工作。根据计算和实验，这相当于接收灵敏度提高了7dBm。它也不容易干扰别人。换句话说，它可以使用较低的功率传输更远的距离。下面引用扩频技术优越性有关 ：考料供参的一些资 CDMA 是继世界上推出数字通信技术之后，1995年又推出的一种新型数字蜂窝技术，它利用数字传输方法，采用扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率，具有容量 大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点，将移动通信技术推向发展新阶段。CDMA（码分多址连接）蜂窝系统与FD

12、MA（频分多址连接）和 TDMA（时分多址连接）系统相 ：点突出优有CDMA系统具以下比， （1）抗干扰性能好由于CDMA 经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频带的窄带共 。作常工影响其正而存，不 （2） 抗多径衰落能力强多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题，通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服，还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用 多径信号提供路径分集，这样不但缓和瑞利衰落，而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落，从而 。量信高 Qualcomm.html大大提target=_blank通质 （3）系统容量增大对于FDMA与TDMA，若小区的频点或时隙一 分配完，则小区就不能

13、接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统，在指定的干扰电平下，即使用户数已达到限定数目时，也还允许增加个别用 户，其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降 低了干扰信号的强度和所需的信噪比 要求，而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS 。倍式的20FM/FDMA的13.6倍，是方的 11.2倍，是AMPS （4）通信质量好CDMA系统采用直接序列扩频技 术，综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服

14、多径效应，可以获得很强的抗干扰能力，加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切 换技术，保证了CDMA的通信质量，特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比，波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术 。输据传话音 和数来确保高质量 （5）频率利用率高CDMA系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其频率复用率为2/3（FDMA和TDMA的频率复用率为1/7），不需要FDMA和TDMA那样进行频率 。入窝引裂和微蜂大大简化了小区分配置， （6）多址能力强CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小，它与使用的扩频编码方案有关，与同时发送信号的用户间的多址干扰（即扩频编码的相关特性）

15、 有关，与允许的接收质量有关（输出信噪比），因此同时工作用户间的多址干扰越低，能允许的接 。强越能力就CDMA技术的多址收质量越低， （7）高度可靠的保密安全性CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，若再加一定的加密算法技术，能大大提高通信保密性能，这是FDMA、TDMA系统所无法比 拟的。分析其采用的扩频系统，要想截获别人的通信内容几乎是不可能的，如只要机内锂电池不放完电，它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态， 即使是连续工作，它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、 。靠 为可信的保密性更法标准加密算等，使通 （8）手机

16、功耗小CDMA采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电平，从而使平均发射功率减小，FDMA的 最小功率为5mW、平均发射功率为794 mW、峰值功率为3W，而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5 mW、 峰值功率为100mW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低，从而使系统容量增加，减少了小区 。本备成和数降低设 ？特点哪的台比较有些电数现5ZigBee 与有传 ：下如点优其 （1） 可靠性高：由于ZigBee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因 ；高靠性更而可 （2） 使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，ZigBee收法模块体积可以做

17、得很小，而且功耗低，最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多，因而很容易集成 ；坏到损不容易受且在户外携带使用时用直接安放在到设备之中，不仅使方便，而或 （3） 抗干扰力强，保密性好，误码率低：ZigBee收发模块使用的是2.4G 直序扩频技术，比起一般FSK，ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距 ；离 （4） 免费频段：ZigBee使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要 ；用费频率使委会交纳相当的申请，而且每年都需要向国家无 。一几分之的数传电台的类模块的价格只有具有似功能格 （5） 价低： ZigBee数传 ？术蓝牙技性能高于Wi-Fi和 6为什么Z

18、IGBEE的抗干扰 摩尔实验室（MORLAB）经过近段时间对ZigBee技术的研究及相关测试实践总结出如 。因要原能力强的主这也是ZigBee产品抗干扰，下几点 ZigBee抗干扰特性主要是抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。主要 ：如下特性 ：CCA）估（Clear Channel Assessment，1、空闲信道评 判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制中提供CCA的能力，即如果 。议信协道用该信的通许传输退出而不必考虑采则被信道其他设备占用，允 ：式估模闲信道评3 现主要有种空 ；闲空为信道个门限量，则认能信信道的号能量，若信号量低于某一断（ 1

19、）判 ；频率号和载波即包括两方面，扩频信主，道断（ 2）判无线信的特征这特征要 。断闲判道，号特征给出信空信度号测时，模两合）（ 3综前种式同检信强和 ：择选道信态动、2 网络的组织责和维护）。协调器（网络的中心节点，负PAN ZigBee 个人区域网（）中的首先要扫描所有的信道，然后确认并加入一个合适的PAN（不需要创建一个新的PAN），减少同频段PAN的数量，降低潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层 。道的信选择一个新软件要应用信道算法的 ：法道算 3、信 在网络初始化或者响应中断时，ZigBee 设备都会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道选择，按照上述

20、空闲信道来设置信道表参数，以便加强网络的共存 。性能 在严重干扰期间，ZigBee不改变信道，而是依靠其低占空比、免冲突算法（每个设备 。丢失的数据传输冲突所造成前送数据之侦听信道）来减小由于在发 ：变FA频率快术（DSSS） 和直 4、 序扩频技 直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果（如下图所示），在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术（发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth有10m作用范围，而ZigBee在室内能达到3050m作用范围）。所谓频率快变是改变频率、以避开一个已知干扰源 。响的影或信号源 由上图可见，ZigBee的误码率在信噪比为4dB的情况下可达10-9 ，要达到

21、同样误码率，Wi-Fi要达 10dB，蓝牙高达16dB， ZIGBEE的抗干扰性能明显高于Wi-Fi和蓝牙技 。术 ：缓存传和帧 5、应答重 ZigBee的MAC层和应用层（APS部分）具有自动请求重传ARQ和帧缓存功能。当传送数据帧给设备时，如果接收设备处于忙或者休眠状态而不能接收该帧，那么网络的主协调 。该帧收端接收缓时存该帧，直到接设备就暂 虽然调制方式很简单，但ZigBee在2.4GHz ISM频段表现出了很好的抗干扰性能，非常适合于低功耗、低数据传输的应用场合。目前ZiBee产品在CE认证中主要采用的测试标 。测试采要用Part 15C的中、准为EN300328而在FCC则主 Cha

22、pter3网络技术篇 ？络网输传据数线无的样怎有具是1ZigBee 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75米到几百米、几公里，并且支持无线 。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，十分类似现有的移动通信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 。里至几公的几百米，甚准的75米，到扩展后 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee

23、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 。连接RFD）无线的孤立的子节点（承担网络信息中转任务 每个ZigBee网络节点（FFD和RFD）可以支持多达31个的传感器和受控设备，每一 。拟量量

24、和模集和传输数字口有8种不同的接方式。可以采器个传感和受控设备终可以 ？事怎么回网用的自组织是 2ZigBee所采 举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，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。他们预先无法判断谁雨，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 。织网是自组进行刷新。这就络的联，对原有网络 ？信网来通使么要用自组织 3ZigBee技术为什 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

25、，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） 。重要则而言非常制业一地达目的。而这点对工现场控 到道其通可仍然以过他路 ？式的路动采网组么为 4什自织要用态由方 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 。传输行数据条路径进 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

26、通路进行传输，以此类推，直到数据 。止的地为送达目 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 路由结合网状网拓扑结构，就可以很好解决 。输靠传证数据的可这个问题，从而保 80748603：Q群居行业交流 智能家 ？点些特）比较有哪通信移动网（GPRS，CDMA-1X 1ZigBee和现有的 ：为特点 其 （1）无网络使用费：使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量 ；费用没有这笔而计算的，ZigBee （2）设备投入低：使用移动网需要购买移动终端设备，每个终端的价格在人民币1000元上下，而使用ZigB

27、ee网络，不仅ZigBee网络节点模块（相当于基站）费用每只人民币 ；得多还要低手机）的价格络主要使用的网子节点（相当于不到1000元，而且， （3）通信更可靠：由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信速率比设计速率低很多，而且 数据通信的可靠信、连续性在许多情况下也得不到保证。而ZigBee网络则是专门为控制数据的传输而设计 ；证的保具有相当因而控制数据的传输的， （4）高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同，功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个 ZigBee局

28、部自动化控制网，再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动 ；控测遥化遥 （5）比起现有的移动通信网来，尽管ZigBee仅仅只是一个局域网，但通过供足够的数据出口，它可以“无限”扩大它的覆盖范围，而且可以与现有的移动网，互联 网和其它通信网络相连接。并通过这些网络将许多个ZigBee局域网相互连成为一个整体。有效的解决公，路铁是别特，区盲在存方地 多许在络网动移有现，道知们我：题问盖覆区盲的网动移 ，此的当可观站的费用是相增加一个移动基站或直放路，油田，矿山等野外，更是如此。而 。行手段现在唯一可仅经济有效，而且往往是时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不 ？测遥控

29、现远距离遥 6ZigBee怎样实 其及CDMA1x网以网，GPRS网，卡等多种方式，与互联络 ZigBee网还可以通过接口ZigBee部个局将两个或多可以通过其它网络，线它通信系统连接，从而实现远程操控。你也 。一起络连接在网 Chapter4市场应用篇 ？域用领有哪些应 1ZigBee技术 ZigBee技术的目标就是针对，工业，家庭自动化，遥测遥控，例如灯光自动化控制， 。领域理等应用力，矿山和物流管器的无线数据采集和监控，油田，电传感 ？要求据传输的业现场对无线数 2ZigBee实现了哪些工 要求低功耗，低数据量（250KPS），低成本，使用免费的ISM频段（2.4G），高的抗干扰性能的直

30、序扩频通信方式（DSSS），高保密性（64位出厂编号和支持AES-128加密），高集成度和高的可靠性；节点模块之间具有自动动态组网的功能，采用了包括网状网在内的拓扑结构，使用了碰撞避免机制，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输， 。性可靠信息传输的从而保证了 ？用展应些方面拓以 3ZigBee可在哪 ZigBee 应用：其范围非常广泛，可以针对工业自动化、家庭自动化、遥测遥控、汽车 。领域等应用矿山和物流管理理自动化和医疗护、油田、电力、业自动化、农 实际应用举例如下：照明控制、环境控制、自动读表系统、各类窗帘控制、烟雾传感器、医疗监控系统、大型空调系统、内置家居控制的机顶盒

31、及万能遥控器、暖气控制、家 庭安 位。定辆进行如例城市中的车区外另它还可以对局部域内移动目标动和防、工业楼宇自化。 ？技术虑采用ZigBee以的件短距离通信就可考什4 凡符合么条 ：用ZigBee以考虑应可离一下符合如条件之的短距通信就，通 常 ；多网控或采数需1 （）要据集监的点 ；低备成本，而要求设要求传输的数据量不大 （2） ；高全性靠性高，安） （3要求数据传输可 ；块源模电池或者电不便放置较大的充电小 （4）要求设备体积很， ；电池供）可以用电 （5 ；盖络覆较大的网杂，监测点多，需要 （6）地形复 ；盖行覆的盲区进些现有的移动网络 （7）对于那 。系统遥测遥控行低数据量传输的（ 8）已经使用了现存移动网络进 ？怎样应用情况5ZigBee技术在我国的 尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这项新技术，而且也有不少企业开始涉足ZigBee技术的开发，然而，考虑到ZigBee本身是一种新的系统集成技