无线网络ZigBee技术的介绍及与Wi-Fi的区别

1、简介
　　
　　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通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

      ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为Zigbee技术。

2、ZigBee是什么

　　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的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准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。
　　不同的是，ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动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与监控对对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它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，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
　　每个ZigBee网络节点（FFD和RFD）可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

3、ZigBee技术的特点

　　ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。自从马可尼发明无线电以来，无线通信技术一直向着不断提高数据速率和传输距离的方向发展。例如：广域网范围内的第三代移动通信网络（3G）目的在于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的数据速率。而当前得到广泛研究的ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：

      功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如：电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间+休眠时间）之比小于1%的情况，电池的寿命甚至可以超过10年。

      数据传输可靠：ZigBee的媒体接入控制层（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，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传，采用这种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专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

      网络容量大：ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。而对简化功能器件，在配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别为：个域网协调器、协调器或器件。而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的网络多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slave）设备。若是通过网络协调器（Network Coordinator），整个网络多可以支持超过64000个ZigBee网路节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

      兼容性：ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用载波侦听/冲突检测（CSMA-CA）方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

      安全性：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，各个应用可以灵活确定其安全属性。

      实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5-2.5美元，且Zigbee协议用。目前低速低功率的UWB芯片组的价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅为几美分。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

　　时延短： 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

4、ZigBee协议框架

      Zigbee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的技术标准。与其他无线标准如802.11或802.16不同，Zigbee和802.15.4以250Kbps的传输速率承载有限的数据流量。ZigBee V1.0版本的网络标准连同灯光控制设备描述已于2004年底推出，其它应用领域及相关设备的描述也会在随后的时间里陆续发布。如图1所示。

 
图1　ZigBee协议框架

　　在标准规范的制订方面，主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者的角色分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订MAC与PHY（物理层）规范，在2003年5月通过802.15.4标准，802.15.4任务小组目前在着手制订802.15.4b标准，此标准主要是加强802.15.4标准，包括：解决标准有争议的地方、降低复杂度、提高适应性并考虑新频段的分配等。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4仅仅定义了实体层和介质访问层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了ZigBee联盟。
　　ZigBee兼容的产品工作在IEEE802.15.4的PHY上，其频段是开放的，分别为2.4GHz（）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。采用ZigBee技术的产品可以在2.4GHz上提供250kbit/s（16个信道）、在915MHz提供40kbit/s（10个信道）和在868MHz上提供20kbit/s（1个信道）的传输速率。传输范围依赖于输出功率和信道环境，介于10m到100m之间，一般是30m左右。由于ZigBee使用的是开放频段，已有多种无线通讯技术使用。因此为避免被干扰，各个频段均采用直接序列扩频技术。同时，PHY的直接序列扩频技术允许设备无需闭环同步。
　　在这3个不同频段，都采用相位调制技术，2.4GHz采用较高阶的QPSK调制技术以达到250kbit/s的速率，并降低工作时间，以减少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面，则采用BPSK的调制技术。相比较2.4GHz频段，900MHz频段为低频频段，无线传播的损失较少，传输距离较长，其次此频段过去主要是室内无绳电话使用的频段，现在因室内无绳电话转到2.4GHz，干扰反而比较少。
　　在MAC层上，主要沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性，所谓的CSMA/CA是在传输之前，会先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输，若产生碰撞，则稍后一段时间重传。
　　在网络层方面，ZigBee联盟制订可以采用星形和网状拓扑，也允许两者的组合，称为丛集树状。根据节点的不同角色，可分为全功能设备（Full-Function Device；FFD）与精简功能设备（Reduced-Function Device；RFD）。相较于FFD，RFD的电路较为简单且存储体容量较小。FFD的节点具备控制器（Controller）的功能，能够提供数据交换，而RFD则只能传送数据给FFD或从FFD接收数据。
　　ZigBee协议套件紧凑且简单，具体实现的硬件需求很低，8位微处理器80c51即可满足要求，全功能协议软件需要32K字节的ROM，功能协议软件需求大约4K字节的ROM。

图2　ZigBee无线网络的拓扑结构

5、基于ZigBee技术的应用

　　随着ZigBee规范的进一步完善，许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。其典型应用领域如下：

5.1 数字家庭领域

　　可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机时，灯光会自动减弱;当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。韩国第三大移动手持设备制造商Curitel Communications公司已经开始研制世界上款Zigbee手机，该手机将可通过无线的方式将家中或是办公室内的个人电脑、家用设备和电动开关连接起来。这种手机融入了“Zigbee”技术，能够使手机用户在短距离内操纵电动开关和控制其他电子设备。

5.2 工业领域

　　通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。韩国的NURI Telecom在基于Atmel和Ember的平台上成功研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及水表，从而为公用事业企业节省数百万美元，此项技术正在进行前期测试，很快将在美国市场上推出。

5.3 智能交通　

　　如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量ZigBee终端设备，你就不再担心会迷路。安装在汽车里的器件将告诉你，你当前所处位置，正向何处去。定位系统(GPS)也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。从ZigBee无线网络系统能够得到比GPS多很多的信息，如限速、街道是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于ZigBee技术的系统还可以开发出许多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

6、Zigbee技术在我国的应用情况：

　　尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。

7、怎样利用Zigbee尽快产生效益

　　为了让大家能更快更好的将Zigbee技术用于解决不同应用领域的实际问题，而不需要深入了解Zigbee网络本身是如何来工作的，从而大大缩短你系统集成的时间，迅速给你带来实际经济效益。
　　成都西谷曙光数字技术有限公司专门向用户提供Zigbee无线网络平台的演示/应用套件，和具体应用开发培训。
　　这个套件包括：
　　1)个标准的演示/应用模块（其中一个用作为与计算机相连的网关节点）；
　　2)电池，天线等附件；
　　3)网络功能演示软件；
　　4)每个模块提供两个USART接口；
　　5)一个标准的串口通信协议，用于将应用模块与你的计算机和传感器相连。如果我们的标准串口协议不能满足你具体应用的需要，原则上，我们可以根据你的具体要求加以修改。
　　利用这个套件，你可以完全按照有线网络连接来编制你的应用程序；将实际上的无线网络，当作一个一般的有线网络来加以利用。
　　这个套件，具有如下演示功能：
　　1. 演示Zigbee网络本身所具有的自动动态组网功能；
　　2. 演示网络中数据传输自动路由，以及数据如何在网络中传输的功能；
　　3. 显示网络无线链路连接状况，以及每个网络节点实际数据传输统计的功能，；
　　4. 演示整个网络的多种数据采集功能；
　　5. 演示控制中心对远端网络节点的控制功能；
　　6. 更重要的是，它除了具有如上的演示功能外，它还可用于实际网络布置中检查无线链路连接状况，对现场网络节点的具体布置效果进行评估和调整。这个套件中的每个模块提供两个USART接口，供用户直接编写自己的应用程序和它用。这样，用户可根据自己实际应用的需要，确定所需的网络节点数量和远端的具体设置后，就可以编写具体应用程序软件。当你的软件开发工作完成后，就可以直接使用我们提供的标准模块进行现场安装设置后，就可以工作了。

8、ZigBee技术及与Wi-Fi的区别