ZigBee基本技術(shù)問答

1.基礎(chǔ)知識(shí)篇

Q1-1 ZigBee起源什么技術(shù)？

A：在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，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)無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而且，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無線數(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)過人們長期努力，ZigBee協(xié)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(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。

Q1-2：什么是ZigBee？

A： 首先ZigBee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠(yuǎn)近信息的，也就是所蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)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(shù)。

Q1-3：ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)？

A： ZigBee的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。相比之下藍(lán)牙可以工作數(shù)周、WiFi可以工作數(shù)小時(shí)；

（2）低成本：通過大幅簡化協(xié)議是成本很低（不足藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee的協(xié)議專利免費(fèi)；

（3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求；

（4）近距離：傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)；

（5）短時(shí)延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s；

（6）高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)；

（7）高安全：ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性；

（8）免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)頻段。

Q1-4：為什么說ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需求而產(chǎn)生的？

A：ZigBee技術(shù)本身，就是因?yàn)樘m牙技術(shù)不能滿足工業(yè)自動(dòng)化中，對(duì)低數(shù)據(jù)量，低成本，低功耗，高可靠性的無線數(shù)據(jù)通信的需求而產(chǎn)生的。因?yàn)�，�?duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，這種無線數(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。ZigBee技術(shù)中，使用網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，自動(dòng)路由，動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，直序擴(kuò)頻的方式。就是為了滿足工業(yè)自動(dòng)化控制現(xiàn)場(chǎng)的這種需要。

2.通信技術(shù)篇

Q2-1: ZigBee使用那種協(xié)議？

A： IEEE802.15.4協(xié)議，這是一種低傳送速率的無限PAN的協(xié)議。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。

Q2-2：為什么ZigBee無線通信使用2，4G頻段是免費(fèi)頻段？

A：在我國和世界上大多數(shù)其他國家，一般使用無線電設(shè)備都是要付頻率使用費(fèi)的，包括手機(jī)通信，只不過移動(dòng)運(yùn)營商已經(jīng)向國家支付了這筆費(fèi)用，并通過號(hào)碼占用費(fèi)等方式向用戶收取了這筆費(fèi)用。在使用其它無線設(shè)備時(shí)，你首先要向國家相關(guān)部門申請(qǐng)頻率使用許可，然后根據(jù)你的無線設(shè)備所使用的頻率，功率大小和數(shù)量收取費(fèi)用。這是一筆不小的費(fèi)用，一般設(shè)備一年往往要交納幾千元的費(fèi)用。而免費(fèi)頻段，是指各個(gè)國家根據(jù)各自的實(shí)際情況，并考慮盡可能與世界其他國家規(guī)定的一致性，而劃分出來的一個(gè)頻段，專門用于工業(yè)，醫(yī)療以及科學(xué)研究使用（ISM頻段），不需申請(qǐng)而可以免費(fèi)使用的頻段。我們國家的2.4G頻段，就是這樣一個(gè)頻段。然而，為了保證大家都可以合理使用，國家對(duì)該頻段內(nèi)的無線收發(fā)設(shè)備，在不同環(huán)境下的使用功率做了相應(yīng)的限制。例如在城市環(huán)境下，發(fā)射功率不能超過100mW。

Q2-3：ZigBee僅適合近距離通信嗎？

A：ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過提高每個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度以及增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，而且還可以通過傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)去監(jiān)控路途遙遠(yuǎn)的ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。但是，在進(jìn)行擴(kuò)張要注意的是：（1）隨著發(fā)射功率的增加，耗電量自然要增大，只要求耗電也大，便會(huì)失去ZigBee本身電能消耗很低的優(yōu)勢(shì)；（2）盡管2.4Ghz是免費(fèi)頻段，但是不能超過電波法中對(duì)于最大功率的限制。

Q2-4：ZigBee采用直序擴(kuò)頻的通信方式有什么好處？

A：同樣的頻段，采用不同的通信方式則結(jié)果也許會(huì)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(tǒng)和CDMA系統(tǒng)一樣，都采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS),它是一種抗干擾能力極強(qiáng)，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(shù)的通信產(chǎn)品，你會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者在可靠性上不同凡響。

由于擴(kuò)頻技術(shù)在正常通信時(shí)所要求的信噪比可以很低，就是說，在干擾很強(qiáng)的環(huán)境下，它仍然能夠正常工作。根據(jù)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，這相當(dāng)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(yuǎn)的距離。下面引用擴(kuò)頻技術(shù)優(yōu)越性有關(guān)的一些資料供參考：

CDMA是繼世界上推出數(shù)字通信技術(shù)之后，1995年又推出的一種新型數(shù)字蜂窩技術(shù)，它利用數(shù)字傳輸方法，采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，大幅度地提高了頻率利用率，具有容量大、覆蓋范圍廣、手機(jī)功耗小、話音質(zhì)量高的突出優(yōu)點(diǎn)，將移動(dòng)通信技術(shù)推向發(fā)展新階段。CDMA（碼分多址連接）蜂窩系統(tǒng)與FDMA（頻分多址連接）和TDMA（時(shí)分多址連接）系統(tǒng)相比，CDMA系統(tǒng)具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

（1）抗干擾性能好由于CDMA 經(jīng)過擴(kuò)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(qiáng)多徑衰落是影響移動(dòng)通信質(zhì)量的一個(gè)突出問題，通常必須采取空間分集、自適應(yīng)均衡等技術(shù)加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)可以利用多徑信號(hào)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，從而大大提高通信質(zhì)量。