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2021-11-28 06:07:10
ZigBee技術及ZigBee協議
2021-11-28 06:07:10 來源: 網絡
在智能硬件和物聯網領域，時下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無人不知，無人不曉。作為除了wifi、藍牙之外，ZigBee是目前最重要的無線通信協議之一，主要應用于物聯網和智能硬件等領域。關于ZigBee，下文采用問答形式向你詳細地介紹了方方面面，不夸口的說，你所需要知道的關于ZigBee的一切，全在這里了!
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201801/374357.htm起源歷史篇
ZigBee起源什么技術?
在藍牙技術的使用過程中，人們發現藍牙技術盡管有許多優點，但仍存在許多缺陷。對工業，家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等，……而工業自動化，對無線數據通信的需求越來越強烈，而且，對于工業現場，這種無線數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此，經過人們長期努力，ZigBee協議在2003年中正式問世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究過的面向家庭網絡的通信協議Home RF Lite。
什么是ZigBee?
首先ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠近信息的，也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構成了群體中的通信“網絡”，因此ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種無線信息傳輸技術。
ZigBee技術有哪些特點?
ZigBee的特點主要有以下幾個方面：
(1)低功耗：在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月，甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時;
(2)低成本：通過大幅簡化協議是成本很低(不足藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32KB代碼，子功能節點少至4KB代碼，而且ZigBee的協議專利免費;
(3)低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數據的應用需求;
(4)近距離：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠;
(5)短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3-10s、WiFi需要3s;
(6)高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網;
(7)高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性;
(8)免執照頻段：采用直接序列擴頻在工業科學醫療2.4GHz(全球)頻段。
為什么說ZigBee是順應工業自動化對可靠的無線數據傳輸日益增長的需求而產生的?
ZigBee技術本身，就是因為蘭牙技術不能滿足工業自動化中，對低數據量，低成本，低功耗，高可靠性的無線數據通信的需求而產生的。因為，對于工業現場，這種無線數據傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。ZigBee技術中，使用網狀網拓撲結構，自動路由，動態組網，直序擴頻的方式。就是為了滿足工業自動化控制現場的這種需要。
通信技術篇
ZigBee使用那種協議?
IEEE802.15.4協議，這是一種低傳送速率的無限PAN的協議。在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。
為什么ZigBee無線通信使用2，4G頻段是免費頻段?
在我國和世界上大多數其他國家，一般使用無線電設備都是要付頻率使用費的，包括手機通信，只不過移動運營商已經向國家支付了這筆費用，并通過號碼占用費等方式向用戶收取了這筆費用。在使用其它無線設備時，你首先要向國家相關部門申請頻率使用許可，然后根據你的無線設備所使用的頻率，功率大小和數量收取費用。這是一筆不小的費用，一般設備一年往往要交納幾千元的費用。而免費頻段，是指各個國家根據各自的實際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規定的一致性，而劃分出來的一個頻段，專門用于工業，醫療以及科學研究使用(ISM頻段)，不需申請而可以免費使用的頻段。我們國家的2.4G頻段，就是這樣一個頻段。然而，為了保證大家都可以合理使用，國家對該頻段內的無線收發設備，在不同環境下的使用功率做了相應的限制。例如在城市環境下，發射功率不能超過100mW。
ZigBee僅適合近距離通信嗎?
ZigBee局域網絡不僅可以通過提高每個節點模塊的發射功率和接收靈敏度以及增加節點數量來擴展網絡，而且還可以通過傳統的互聯網去監控路途遙遠的ZigBee控制網絡。但是，在進行擴張要注意的是：(1)隨著發射功率的增加，耗電量自然要增大，只要求耗電也大，便會失去ZigBee本身電能消耗很低的優勢;(2)盡管2.4Ghz是免費頻段，但是不能超過電波法中對于最大功率的限制。
ZigBee采用直序擴頻的通信方式有什么好處?
同樣的頻段，采用不同的通信方式則結果也許會有很大的差別，例如ASK，FSK，FHSS，DSSS等的抗干擾能力，通信安全保密性，可靠性都各不相同。ZigBee系統和CDMA系統一樣，都采用的是直序擴頻技術(DSSS)，它是一種抗干擾能力極強，保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用過這兩種技術的通信產品，你會發現兩者在可靠性上不同凡響。
由于擴頻技術在正常通信時所要求的信噪比可以很低，就是說，在干擾很強的環境下，它仍然能夠正常工作。根據計算和實驗，這相當于接收靈敏度提高了7dBm。它也不容易干擾別人。換句話說，它可以使用較低的功率傳輸更遠的距離。下面引用擴頻技術優越性有關的一些資料供參考：
CDMA是繼世界上推出數字通信技術之后，1995年又推出的一種新型數字蜂窩技術，它利用數字傳輸方法，采用擴頻通信技術，大幅度地提高了頻率利用率，具有容量大、覆蓋范圍廣、手機功耗小、話音質量高的突出優點，將移動通信技術推向發展新階段。CDMA(碼分多址連接)蜂窩系統與FDMA(頻分多址連接)和TDMA(時分多址連接)系統相比，CDMA系統具有以下突出優點：
(1)抗干擾性能好由于CDMA 經過擴頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。
(2)抗多徑衰落能力強多徑衰落是影響移動通信質量的一個突出問題，通常必須采取空間分集、自適應均衡等技術加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統可以利用多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提Qualcomm.html‘ target=’_blank‘》高通信質量。
(3)系統容量增大對于FDMA與TDMA，若小區的頻點或時隙一分配完，則小區就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限系統，在指定的干擾電平下，即使用戶數已達到限定數目時，也還允許增加個別用戶，其缺點是造成話音質量下降。業務提供者可在容量與話音質量之間進行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術大大降低了干擾信號的強度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據介紹，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。
(4)通信質量好CDMA系統采用直接序列擴頻技術，綜合應用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術克服多徑效應，可以獲得很強的抗干擾能力，加上它在越區切換時采用先建立后中斷的軟切換技術，保證了CDMA的通信質量，特別在越區切換時無乒乓效應。本系統屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數字調制技術來確保高質量話音和數據傳輸。
(5)頻率利用率高CDMA系統的同一頻率，可以在所有小區內重復使用，其頻率復用率為2/3(FDMA和TDMA的頻率復用率為1/7)，不需要FDMA和TDMA那樣進行頻率配置，大大簡化了小區分裂和微蜂窩引入。
(6)多址能力強CDMA系統多址能力決定擴頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴頻編碼方案有關，與同時發送信號的用戶間的多址干擾(即擴頻編碼的相關特性)有關，與允許的接收質量有關(輸出信噪比)，因此同時工作用戶間的多址干擾越低，能允許的接收質量越低，CDMA技術的多址能力就越強。
(7)高度可靠的保密安全性CDMA移動通信系統是一個保密通信系統，若再加一定的加密算法技術，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統所無法比擬的。分析其采用的擴頻系統，要想截獲別人的通信內容幾乎是不可能的，如只要機內鋰電池不放完電，它以512KHz的時鐘頻率加以改變其序列的即時狀態，即使是連續工作，它的擴頻地址序列周期也長達7年。它還可以方便地在CDMA系統設置和改變主密鑰、副密鑰、擴頻碼表、標準加密算法等，使通信的保密性更為可靠。
(8)手機功耗小CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調高發射功率電平，從而使平均發射功率減小，FDMA的最小功率為5mW、平均發射功率為794 mW、峰值功率為3W，而CDMA的最小功率為2.3mW、平均發射功率為5 mW、 峰值功率為100mW。由此可見CDMA的平均發射功率和最大發射功率比FDMA低，從而使系統容量增加，減少了小區數和降低設備成本。
ZigBee與現有數傳電臺的比較有哪些特點?
其優點如下：
(1) 可靠性高：由于ZigBee模塊的集成度遠比一般數傳電臺高，分離元器件少，因而可靠性更高;
(2) 使用方便安全：因為集成度高，比起一般數傳電臺來，ZigBee收法模塊體積可以做得很小，而且功耗低，最大發射電流比一個CDMA手機還要小許多，因而很容易集成或直接安放在到設備之中，不僅使用方便，而且在戶外攜帶使用時不容易受到損壞;
(3) 抗干擾力強，保密性好，誤碼率低：ZigBee收發模塊使用的是2.4G 直序擴頻技術，比起一般FSK，ASK和跳頻的數傳電臺來，具有更好的抗干擾能力，和更遠的傳輸距離;
(4) 免費頻段：ZigBee使用的是免費頻段，而許多數傳電臺所使用的頻段不僅需要申請，而且每年都需要向國家無委會交納相當的頻率使用費;
(5) 價格低： ZigBee數傳模塊的價格只有具有類似功能的數傳電臺的幾分之一。
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