Zigbee技术的特点、产品以及应用详解

　　一.ZigBee概析

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。ZigBee, 在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术. 这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

　　Zigbee联盟于2002年成立，当协议发展到2007版时，各层协议都已经趁于完善。Zigbee网络适用于区域范围内的网络覆盖，可通过网关等设备，与以太网/GPRS网络实现无缝连接，完美实现低成本远程监控等应用……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75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

    与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee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气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，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

　　Zigbee特点： 

　　①自动组网，网络容量大。Zigbee网络可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络有星状、片状和网状网络结构。在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能。

　　②网络时延短。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。

　　③模块功耗低,通讯速率低。模块有较小的发送接收电流,支持多种睡眠模式,一个10AH的电池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通讯速度可达250Kbps,适合用于设备间的数据通讯，不太适合用于声音、图像的传送。

　　④传输距离可扩展。举例DIGI的XBEE增强型模块，相邻模块通讯距离可达1.6Km,有效距离范围内的模块自动组网,网络中的各节点可自由通讯,这样传输距离得到了扩展.

　　⑤成本低。Zigbee模块工作于2.4G频段,故只需要先期的模块费用,无需支付持续使用费用.若采用丰宝代理的DIGI公司的Zigbee模块,则可无需再次开发,通过TTL的RX,TX便可进行数据发送接收,大量减少了产品开发周期,获得了更好的市场先机.

　　⑥可靠性好,安全性高。Zigbee具有可靠的发送接收握手机制,可靠地保证了数据的发送接收,另Zigbee采用AES128位密钥,保证数据发送的安全性。

　　市面上Zibee产品当前主要有三种:

　　1.Zigbee模块,所有与Zigbee相关的设计都已经做好了,客户通过接口发送接收数据,并可使用模块多种附加功能,如远程的A/D,I/O自动监测功能,I/O输出功能等.使用这种产品的优势是:使用简单,开发周期短,已验证的应用协议使保证了通讯可靠性.如DIGIXBEEmodule.

　　2.ZigbeeRFIC+MCU,提供Zigbee协议栈.使用这种产品的优势就是成本相对较低,劣势就是需要熟悉Zigbee架构,调用底层协议,所以开发周期长,需要有高频电路设计经验.如TICC2420+MSP430.

　　3.内含RF的MCU,优势成本低,电路设计相对较少.劣势是需要熟悉Zigbee底层协议,开发周期长.如FreescaleMC1322X.

　　二.DIGI的Zigbee产品介绍:

　　下面以DIGI的产品为例，作应用举例分析。在分析前，先对DIGI的产品作一下介绍。DIGI的Maxstrem产品按组网方式分,主要有二种：

　　①点对多模块,支持有效距离范围里的模块数据通讯,优点:网络延时短,网络设置简单.

　　②组网模式:Zigbee2007Zigbee2006DIGIMESH。有效距离范围里同设置的模块会自动加入到网络里,并可与网络中的任意模块进行数据通讯.优点是:模块自动组网,这样距离可得到扩展.

　　所有模块都有普通型(室外明视距离100M)和增强型(室外明室距离1.6KM)两种.若需要距离更远的模块,还可以选用DIGIXtend产品(距离远达64KM).

    模块优势:

　　①是可支持多种协议的平台,

　　②功耗低.发送接收电流小,支持多种睡眠方式.定时唤醒,管脚唤醒等.

　　③多种模块附加功能供客户使用.如多路10位A/D,I/O输入输出功能,I/O变化监控并发送功能,支持远程和本地的监控.

　　④可靠的数据发送接收.具有重发,加密等多种机制.

　　⑤使用简单,开发时间短.通过TTL的TX,RX来发送接收数据.通过命令等远程监控.
 
    值得一提的是,DIGI还在Zigbee协议基础上,做了更实用可靠的DIGIMESH协议,缩短了网络延迟,提高了路由冲突损坏等问题时的网络通讯可靠性.与Zigbee的协调器路由器终端的结构不同,DIGIMESH网络中各点都是对等的,简化了的网络,除可完成Zigbee一样的卓越通讯功能外,还支持网络中模块的同步睡眠与唤醒,为低功耗解决方案.

　　三Zigbee应用

　　Zigbee+GPRS实现大范围的远程监控：

　　如ZigBee农业灌溉系统：

　　可通过以太网或手机等移动设备，往GPRS网络发送控制命令，使大棚内的作物生长在适宜的温湿度下。XBEE+MCU,监控棚内温湿度等信息，并实时通过网络发送到与GPRSDTU（GPRS终端，可使用WD2001）相连的XBEE模块，模块收到数据后通过串口发送到GPRSDTU,通过网络发送到指定的GPRS接收设备。可以是手机或电脑等设备。移动设备也可以通过网络，将控制命令发送到GPRSDTU,GPRSDTU（可使用WD2001）接收到命令，通过串口线将数据发送到XBEE模块，传送到指定大棚内，开启相关设施。因要考虑功耗等原因，推荐使用可运行DIGIMESH同步睡眠唤醒功能的XBEE模块。

　　系统特点:

    ①利用了XBEE的远程数字I/O.在智能化程度高的温室里,需要对一些设备进行实时的开启开关等操作,而XBEE恰好提供了这种功能.可使用远程参数修改命令,轻松完成设备的远程操作.

　　②XBEE的低功耗.在有些地区的温室内,因无供电设施,则需要系统设备工作于低功耗下.两节高能电池,可供模块工作近二个月.而GPRSDTU可使用高能锂电池或镍氢电池,如8AH电池,也可供设备工作近二个月.

　　③XBEE组网.将各大棚的温湿度等情况,通过XBEE集中收集到一起,然后通过GPRS发送出去.因模块具胡自动组网功能,被监控范围可足够大.

　　3.极短的开发周期.GPRSDTU(如望联WD2001)提供232接口,XBEE模块接转换板后也提供232,所以只要直接接一起.通过GPRS的设置,然后就可以通过电脑以太网或手机GPRS或手机短信,接收到温室当前工作情况,和控制温室内设备了.

　　四.Zigbee的前景

    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须是高可靠的，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年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。 　　长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，

　　但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

　　Zigbee的出现，填补了短距离数据通讯的低成本解决方案空白，促成了它应用的广阔前景。据调查，2005年时，zigbee芯片销量只达到约1000万元美元，而08年就已经达到约6000万美元，预计2012年可达到32000万美元，复合增长63%。