随着当今世界通信技术的快速发展,Internet随着数据通信需求的快速发展和个人的快速增长,全球通信产业技术的发展呈现出无线化、宽带化、IP化。互联网业务的发展促进了市场对宽带网络的需求,全球宽带用户数量呈现出非常强劲的增长趋势。在众多的宽带技术中,无线技术尤其是移动通信技术成为近年来通信技术市场的最大亮点,是构成未来通信技术的重要组成部分。
Zigbee是基于IEEE802.15.4标准低功耗域网协议。本协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这个名字来自蜜蜂的八字舞,因为蜜蜂(bee)是飞行和嗡嗡(zig)摇动翅膀的舞蹈向同伴传递花粉的位置信息,即蜜蜂以这种方式在群体中形成通信网络。其特点是近距离、复杂性低、自组织、功耗低、数据速率高。主要用于自动控制和远程控制,可嵌入各种设备。简而言之,ZigBee是一种低功耗的近距离无线网络通信技术。
在介绍ZigBee在此之前,我们应该首先提到他的前任蓝牙。在使用蓝牙技术的过程中,人们发现蓝牙技术虽然有很多优点,但仍有很多缺点。对于工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控,蓝牙技术太复杂、功耗大、距离近、网络规模太小等,工业自动化、无线数据通信需求越来越强,对于工业现场,无线数据传输必须高可靠,能够抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此,经过人们的长期努力, Zigbee该协议于2003年在美国正式出台。
Zigbee的前身是1998年由 INTEL、lBM等工业巨头发起的 Homerflite”技术
工作组起草于2000年12月成立EEE802.154标准, Zigbee联盟成立于2001年8月
2002年下半年,英国 vensys四大巨头,日本三菱电气公司,美国摩托罗拉公司,荷兰飞利浦半导体公司,共同宣布加入 Zigbee以研发名称为联盟 Zigbee下一代无线通信标准成为技术发展的里程碑。
2004年12月 Zigbee10标准(又称为 Zigbee2004)敲定,这使得 Zigbee有自己的发展基本标准。
2005年9月公布 Zig bee1.0标准并提供下载。今年,华为科技有限公司和BM公司加入了 Zigbee联盟。但是基于这个版本的应用很少,与后面的版本不兼容。
标准修订于2006年12月启动 Zigbee1.1版(又称为 Zigbee2006)。虽然该协议被命名为 Zigbee1.1,但是与 Zigbee10版不兼容
再次修订于2007年10月完成 Zigbee2007/PRO)。能兼容以前的 Zigbee2006版06版 Zibgeepro部分,此时 Zig beel联盟更注重家庭自动化、建筑商业建筑自动化、先进抄表基础设施建设三个方面。
ZigBee它是一个无线数传网络平台,由5万个无线数传模块组成,与现有的移动通信非常相似CDMA网或GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似于移动网络的基站,可以在整个网络范围内相互通信;每个网络节点之间的距离可以从标准的75米到扩展的数百米,甚至几公里;另外整个;ZigBee网络也可以与其他现有网络连接。例如,你可以通过互联网在北京监控云南的某个地方ZigBee控制网络。
ZigBee网络主要是为自动控制数据传输而建立的,移动通信网络主要是为语音通信而建立的;每个移动基站的价值一般在100万元以上ZigBee"基站"但不到1000元;每人;ZigBee 网络节点本身不仅可以直接与监控对象连接,如传感器进行数据采集和监控,它还可以自动中转网络节点传输的数据数据; 除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)也可以在自己的信号覆盖范围内与多个不承担网络信息中转任务的孤立子节点(RFD)无线连接。
每个ZigBee网络节点(FFD和RFD)可支持多达31个传感器和控制设备,每个传感器和控制设备最终可有8种不同的接口方式。数字量和模拟量可以收集和传输。
ZigBee该技术是一种近距离、复杂性低、功耗低、速率低、成本低的双向无线通信技术。主要用于各种电子设备之间的数据传输,以及周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的典型应用。
自马可尼发明无线电以来,无线通信技术一直朝着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如,第三代移动通信网络在广域网范围内(3G)目的是提供多媒体无线服务,局域网范围内的标准从IEEE802.11的1Mbit/s到IEEE802.11g的54Mbit/s数据速率。而ZigBee该技术致力于提供一种低速无线通信技术,具有极低的复杂性、成本和功耗。
在工作模式下,ZigBee其次,在非工作模式下,技术传输速率低,传输数据量小,信号收发时间短,ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索延迟一般为30ms,休眠激活时延为15ms,活动设备信道接入延迟为15ms。由于工作时间短,收发信息功耗低,采用休眠模式,ZigBee节点非常省电,ZigBee节点的电池工作时间可达6个月至2年左右。同时,由于电池时间取决于电池类型、容量和应用场合等诸多因素,ZigBee该技术还优化了协议中的电池使用。碱性电池可用于典型性电池可以使用几年,对于某些工作时间和总时间(工作时间) 如果休眠时间小于1%,电池的寿命甚至可以超过10年。
ZigBee媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下,当需要数据传输时,每个数据包必须等待接收方确认信息并回复确认信息。如果未得到确认信息的回复,则表示发生碰撞,并将再次传输。该方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时,为需要固定带宽的通信业务预留了一个特殊的间隙,发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee优化了时延敏感的应用,通信时延和休眠状态激活时延都很短。
ZigBee低速、低功耗、短距离传输的特点使其非常适合支持简单设备。ZigBee定义了两个装置:全功能装置(FFD)简化功能设备(RFD)。支持所有49个基本参数的全功能设备。在最小配置中,简化功能设备只需支持38个基本参数。一个全功能设备可以通过简化功能设备和其他全功能设备来工作,分别是:个域网协调器、协调器或设备。简化功能器件只能与全功能器件通话,仅用于非常简单的应用。一个ZigBee最多有255个网络ZigBee网络节点之一是主控(Master)设备,其余为从属(Slave)设备。若通过网络协调器(Network Coordinator),全网最多可支持6.4万多个ZigBee网络节点,加上各种Network Coordinator可以互相连接,整个ZigBee网络节点的数量将相当可观。
ZigBee该技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器(Coordinator)采用载波侦听/冲突检测自动建立网络(CSMA-CA)信道接入的方式。为可靠传输,还提供全握手协议。
Zigbee在数据传输中提供三级安全性,提供数据完整性检查和识别功能。第一级实际上是不安全的。对于某些应用程序,如果安全不重要或上层提供了足够的安全保护,设备可以选择这种方式转移数据。接入控制清单可用于二级安全级别的设备(ACL)为防止非法设备获取数据,本级不采取加密措施。数据转移中的第三级安全级别属于高级加密标准(AES)对称密码。AES可用于保护数据净荷,防止攻击者冒充合法器件,各应用可灵活确定其安全属性。
模块的初始成本估计在6美元左右,很快就会降到1美元.5-2.5美元,且Zigbee协议免除专利费。目前低速低功率UWB芯片组的价格至少为20美元。ZigBee价格目标只有几美分。ZigBee也是一个关键因素。
通信延迟和从休眠状态激活延迟非常短,典型的搜索设备延迟30ms,休眠激活的延迟是15ms, 活动设备信道访问的延迟为15ms。因此ZigBee该技术适用于对延迟要求严格的无线控制(如工业控制场合等)。
相同点:
两者都是短距离无线通信技术;
2、都是使用2.4GHz频段
3、都是采用DSSS技术;
不同点:
1.传输速度不同。 ZigBee传输速度不高(<250Kbps),但功耗很低,电池供电一般可使用3个月以上; WiFi,常说无线局域网,速度高(11Mbps),功耗也大,一般外部电源;
2.不同的应用场合。 ZigBee适用于工业控制、环境监测、智能家居控制等低速低功耗场合。 WiFi,一般用于覆盖一定范围(如1栋楼)的无线网络技术(覆盖范围约100米)。表现形式是我们常用的无线路由器。建筑物内设置无线路由器,建筑物内的笔记本电脑(带无线网卡),基本上可以无线上网。
3.市场现状不同。ZigBee作为一种新兴技术,自2004年第一版发布以来,一直在快速发展和推广;由于成本和可靠性,没有大规模推广; WiFi,技术成熟,应用广泛。 总的来说,两者差异较大,市场定位不同,相互竞争不大。但两者在技术上有共同点,两者的相互干扰相对较大,特别是WiFi对于ZigBee的干扰。
二者硬件内存需求对比:ZigBee:32~64KB+;WiFi:1MB+;ZigBee硬件需求低。二者电池供电上电可持续时间对比:ZigBee:100~1000天;WiFi:1~5天;ZigBee功耗低。 传输距离对比(一般用法,无大功率天线发射装置):ZigBee:1~1000M;WiFi:1~100M;ZigBee传输距离长。 ZigBee劣势: 网络带宽对比:ZigBee:20~250KB/s;WiFi:11000KB/s;ZigBee带宽低,传输慢。
作为一种低速率的短距离无线通信技术,ZigBee有其自身的特点,因此有为它量身定做的应用,尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。ZigBee可能的一些应用,包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。
家里可能都有很多电器和电子设备,如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等,可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备,以前我们最多可能就做到点对点的控制,但如果使用了ZigBee技术,可以把这些电子电器设备都联系起来,组成一个网络,甚至可以通过网关连接到Internet,这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况,并且省却了在家里布线的烦恼。
工厂环境当中有大量的传感器和控制器,可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控,加强作业管理,降低成本。
抄表可能是大家比较熟悉的事情,像煤气表、电表、水表等等,每个月或每个季度可能都要统计一下读数,报给煤气、电力或者供水公司,然后根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表,逐家逐户的敲门,很不方便。而ZigBee可以用于这个领域,利用传感器把表的读数转化为数字信号,通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处,比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户,或者和节能相结合,当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。
电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器,如测量脉搏、血压,监测健康状况,还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器,如在病房环境,这样可以随时对人的身体状况进行监测,一旦发生问题,可以及时做出反应,比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器,可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络,由于是无线技术,传感器之间不需要有线连接,被监护的人也可以比较自由的行动,非常方便。
传感器网络也是最近的一个研究热点,像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗,并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。
在2006年初的时候,意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡,并命名为“ZSIM”[5]。其实这种SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的一种手段。而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻,说联盟的成员在开发电信相关的应用[6]。如果ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来,那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付,并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息,如新闻、折扣信息,用户也可以通过定位服务获知自己的位置。虽然现在的GPS定位服务已经做得很好,但却很难支持室内的定位,而ZigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。
尽管 Zigbee技术在2004年,就被列为当今世界发展最快,最具市场前景的十大新技术之一;关于Zigbee技术的优点,大家也进行了许多讨论,到目前为止,国内外许多厂商也都开发生产了各种各样的 Zigbee产品,并在应用推广上做了大量的工作,然而,实事求是的讲,真正完全使用Zigbee技术来解决具体实际问题,有意义的案例则非常有限。
Zigbee似乎成了一种时髦,但眼下还不能做到真正实用的新技术。就其原因,除了作为一种新技术,它本身需要有一个技术改进和成熟,以及市场培育的过程外,我们在长期应用Zigbee技术来解决实际问题的实践中,还发现如下几个十分重要,而在短期内我们认为十分难以解决的问题:
1、Zigbee的核心技术之一,是动态组网和动态路由,即Zigbee网络考虑了网络中的节点增减变化,网络中的每个节点相隔一定时间,需要通过无线信号交流的方式重新组网,并在每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时,需要扫描各种可能的路径,从最短的路经尝试起,这就涉及到无线网络的管理问题。而这些,都需要占用大量的带宽资源,并增加数据传输的时延。特别是随着网络节点数目的增加和中转次数增多。因而,尽管Zigbee的射频传输速率是250kbps, 但经过多次中转后的实际可用速率将大大降低,同时数据传输时延也将大大增加,无线网络管理也就变得越麻烦。这也就是目前Zigbee网络在数据传输时的主要问题。
2、Zigbee这个字,从英语的角度来分析,它是由“Zig”和“bee”两个字组成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路径,后面一个英文单词“bee”就是蜜蜂的意思,我们的理解,Zigbee网络技术,就是模仿蜜蜂信息传递的方式,通过网络节点之间信息的相互互传,来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。如果按一般标准Zigbee节点,在开阔空间每次数据中转平均增加50米直线传输距离计算,传输500米直线距离需要中转十次;在室内,由于Zigbee所使用的2.4 G的传输频率,一般是通过信号反射来进行传输的,由于建筑物的遮挡,要传输一定的距离,往往需要使用较多的网络节点来进行数据中转,如上述第一条中的分析,这对一个Zigbee网络来讲,并不是一件简单的事情。当然,我们也可使用放大器来增加Zigbee网络节点的传输距离,然而,这必然要大大增加网络节点的功耗和成本,失去了Zigbee低成本低功耗的本来目的。而且,在室内使用这种方法来增加传输距离,效果也有限。显然,一种通过中心点在室外,终端模块在室外的星状网网络通信结构个更加合理。
3、Zigbee的核心技术之一,是每一个网络节点,除了自身作为信息采集点和执行来自中心的命令外,它还承担着随时来自网络的数据中转任务,这样,网络节点的收发机必须随时处于收发接收状态,这就是说它的最低功耗至少在20mA左右,一般使用放大器的远距离网络节点,其耗电量一般在150mA左右。这显然很难使用电池驱动来保证网络节点的正常工作;
4、由于Zigbee中的每一个节点,都参与自动组网和动态路由的工作,因而每个网络节点的单片机也就相对复杂一些,成本自然也就高一些。另外,在Zigbee网络的基础上进行一些针对具体应用的开发工作的量也就大一些。
综上所述,我们认为,Zigbee网络,实际上在许多情况下,是牺牲了网络传输效率,带宽以及节点模块的功耗,来换取在许多实际应用中,并不重要的动态组网和动态路由的功能,因为,在一般情况下,我们的网络节点和数据传输途径往往都是固定不变的。因此,当前Zigbee技术尚未解决的节点耗电问题,网络数据传输的效率较低时延较长的问题,以及数据传输距离有限的问题,是当前Zigbee 技术难于得到很好推广的根本原因。