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技術科普


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ZigBee技術介紹

簡介

ZigBee是一項新型的無線通信技術,適用于傳輸范圍短數據傳輸速率低的一系列電子元器件設備之間。 ZigBee無線通信技術可于數以千計的微小傳感器相互間,依托專門的無線電標準達成相互協調通信,因而該項技術常被稱為Home RF Lite無線技術、FireFly無線技術。ZigBee無線通信技術還可應用于小范圍的基于無線通信的控制及自動化等領域,可省去計算機設備、一系列數字設備相互間的有線電纜,更能夠實現多種不同數字設備相互間的無線組網,使它們實現相互通信,或者接入因特網 [1]

ZigBee譯為"紫蜂",它與藍牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術,用于傳感控制應用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出,并由其TG4工作組制定規范。

ZigBee無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯系的方式而研發生成的一項應用于互聯網通信的網絡技術。 相較于傳統網絡通信技術,ZigBee無線通信技術表現出更為高效、便捷的特征。作為一項近距離、低成本、低功耗的無線網絡技術,ZigBee無線通信技術其關于組網、 安全及應用軟件方面的技術是基于IEEE批準的802 15.4無線標準。該項技術尤為適用于數據流量偏小的業務,可尤為便捷地在一系列固定式、便攜式移動終端中進行安裝,與此同時,ZigBee無線通信技術還可實現GPS功能。 [1] 

ZigBee技術本質上是一種速率比較低的雙向無線網絡技術,其由IEEE.802.15.4無線標準開發而來,擁有低復雜度和短距離以及低成本和低功耗等優點。其使用了2.4GHz頻段,這個標準定義了ZigBee技術在IEEE.802.15.4標準媒體上支持的應用服務。ZigBee聯盟的主要發展方向是建立一個基礎構架,這個構架基于互操作平臺以及配置文件,并擁有低成本和可伸縮嵌入式的優點。搭建物聯網開發平臺,有利于研究成果的轉化和產學研對,是實現物聯網的 簡單途徑。

優點

ZigBee技術是一種新型技術,它最近出現,主要是依靠無線網絡進行傳輸,它能夠近距離的進行無線連接,屬于無線網絡通訊技術。在以數據信息為載體進行的傳輸中,ZigBee技術是主要的技術指標, 它使用起來比較安全,而且它的容量性很強,被廣泛應用到人類的日常通信傳輸中。 [3] 

第一、實際生活的數據信息傳輸是以ZigBee無線傳感技術為通信網絡的依靠,可以建立很多網絡連接點,同時依靠網絡輔助器還可以實時傳輸數據通訊。因此,信息容量大的數據傳輸是ZigBee技術的主要特點,為了避免在傳輸數據的時候發生信號碰撞,產生不穩定的傳輸,它采用了高效的碰撞避免機制,較好地保障了數據的安全傳輸。 ZigBee技術的另外一個優點是兼容性能很強大,在進行操作時,可以連接家庭中的控制網絡,而且不會發生碰撞,能很好地與網絡相融合。 [3] 

第二、ZigBee系統的持續時間不長,啟動它的通信運作,用十五到三十分鐘就可以了,在這么簡短的時間內,系統能夠快速地接收到用戶發來的一切信息,而且在使用ZigBee技術的時候,它的工作時間很短,能耗非常的低,能節約成本地持續發展下去。 ZigBee在收發信息時,每個節點都能很好節約電。工作時間能夠持續一到兩年,滿足每個家庭的普通需要。總的來說,ZigBee技術具有很多優點,作為一種新型技術,被普遍使用在很多網絡技術上。 [3] 

特征

ZigBee作為一項新型的無線通信技術,其具有傳統網絡通信技術所不可比擬的優勢,既能夠實現近距離操作,又可降低能源的消耗。又如,相較于藍牙等無線通信技術,ZigBee無線通信技術可有效降低使用成本, 即便數據處理的速率并不高,然而,值得肯定的是,ZigBee無線通信技術更為便利,可作為眾多用戶的理想選擇。對于ZigBee無線通信技術的特征而言,主要表現為: [1] 

其一,ZigBee能源消耗顯著低于其他無線通信技術。通常而言,ZigBee開展傳輸處理過程中對應需求的功率為1MW。倘若ZigBee進入休眠狀態,則其所需的功率將更低。通俗來講,通過為裝置有ZigBee的設備配備兩節5號電池,該設備便可持續運行超過6個月的時間。 [1] 

其二,ZigBee研發及使用所需投入的成本偏低。現階段,ZigBee的成本普遍無需交付專利費。通常情況下,應用ZigBee過程中僅需交付最初的6美元,后續的實際操作便不會產生更高的費用。由此表明,ZigBee的研發及使用成本可為廣大用戶所接受。 [1] 

其三, ZigBee具有較高的安全可靠性。 ZigBee可實現十分完備的檢測功能,同時在應用ZigBee時需要進行反復的檢驗流程。如此一來,切實確保了ZigBee的安全可靠性。另外,ZigBee在傳輸數據過程中可確保數據流的相對平行性,換而言之,ZigBee可為數據提供寬廣的傳輸空間。 [1]

詳細介紹:     

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。相比較,藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。

TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節點。該節點采用Micropelt公司的熱電發電機給TI公司的ZigBee提供電源。

②低成本。通過大幅簡化協議(不到藍牙的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免協議專利費。每塊芯片的價格大約為2美元。

③低速率。ZigBee工作在20~250kbps的速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率,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3 s。

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,包括安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。

⑧免執照頻段。使用工業科學醫療(ISM)頻段,915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2.4GHz(全球) 。

發展

     2023年1月27日消息,由近 600 家致力于物聯網開放標準的公司所組成的 CSA 連接標準聯盟近期宣告發布 Zigbee 標準新功能 Zigbee Direct,可利用隨處可見且操作方便的低功耗藍牙 (BLE) 設備,簡化 Zigbee 新設備的入網和已有設備的控制。 [10] 

Zigbee協議的結構

ZigBee 協議屬于高級通信協議,是基于上世界的IEEE協會制定的802協議,主要約束了網路的無線協議、通訊協議、安全協議和應用需求等方面的標準,其有效轉播速率可以達到300Kbps (千比特率)。 和計算機通信的模式類似,ZigBee的網絡協議是分層結構,自下而上主要由五層結構構成,其中包括用戶層,ZigBee聯盟和 IEEE802.15.4協議。 [4] 

Zigbee的結構分為4層:分別是物理層MAC層,網絡/安全層和應用/支持層 其中應用/支持層與網絡/安全層由Zigbee聯盟定義,而MAC層和物理層由IEEE802.15.4協議定義,以下為各層在Zigbee結構中的作用:

物理層:作為Zigbee協議結構的最低層,提供了最基礎的服務,為上一層MAC層提供了服務,如數據的接口等等。同時也起到了與現實(物理)世界交互的作用;

MAC層:負責不同設備之間無線數據鏈路的建立,維護, 結束,確認的數據傳送和接收;

網絡/安全層:保證了數據的傳輸和完整性,同時可對數據進行加密;

應用/支持層:根據設計目的和需求使多個器件之間進行通信。 [5] 

Zigbee協議組網的特點

   Zigbee協議在滿足條件的情況下,協調器將會自動組網。 Zigbee 組網有兩個鮮明的特點:①一個Zigbee 網絡的理論最大節點數就是2的16次方也就是65536個節點,遠遠超過藍牙8個和Wifi32個。 ②網絡中的任意節點之間都可進行數據通訊。 在有模塊加入和撤出時,網絡具有自動修復功能。這里有一個簡單的例子:當一些人各自擁有一個網絡模塊終端時,只要他們在網絡模塊通信的范圍內自動找到對方,他們就可以快速形成互連的網絡。 此外,由于人員的流動,他們之間的網絡連接也會發生變化。因此,該模塊還可以通過重新搜索通信對象,確定它們之間的聯系來重置原始網絡,這就是Zigbee的自組網。 [5] 

標準

ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4標準的基礎上開發了一套有關組網和應用的產業化標準,與IEEE僅制定物理層(PHY)和媒體訪問控制子層(MAC)底層標準不同,ZigBee聯盟對網絡層、應用層及其配套的支持子層、安全子層都進行了標準化。因此,一個由終端廠商所實現的完整的ZigBee產品應由高層的應用規范、應用支持子層、ZigBee設備對象(ZDO)子層、網絡層MAC和PHY組成。網絡層及其以上標準協議由ZigBee聯盟制定,IEEE 802.15.4只負責PHY和MAC標準。 [6] 

相比于常見的無線通信標準,ZigBee 協議套件緊湊而簡單,具體實現的要求較低。

具體標準

2012年4月,國際ZigBee聯盟推出了ZigBee Light Link,便意味著設定了共同標準,可有效地解決上述問題。通過全球主要照明設備制造商的共同開發,ZLL不僅定義了一種先進的燈控應用信息傳遞協議,而且還納入一種簡單的配置機制,使消費者可以開箱即用,系統配置就像按一下按鈕一樣簡單。除了這些新特點外,ZLL具有所有ZigBee網絡的固有技術優勢,實現了基于IEEE802.15.4的低功率、低成本、健壯、安全的無線網絡。

ZigBee標準與IEEE 802.15.4標準的結合,使其產品同時具有低功耗、易組網、短距離互聯等特性,因此認為其應用在傳感器網絡/物聯網時具有相當大的優勢。間時,ZigBee聯盟所制定的標準覆蓋了整個開放式系統互聯(OSI)的七層協議,非常利于廠家的實現。因此,在涉及到傳感器網絡/物聯網的產品和解決方案時,ZigBee都被認為是一種成熟的解決方案。 [6]  

Zigbee標準框架

ZigBee標準采用分層、跨層設計,由一系列的子層和層間接口構成。每層為其上層提供一組特定的服務:數據實體提供數據傳輸服務,管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口。并且每個SAP提供一系列的基本服務指令完成相應的功能。它雖然是基于標準的七層開放式系統互聯模型,但僅對那些涉及ZigBee 的層子以定義。IEEE802.15.4標準定義了最下面的兩層:物理層和媒體訪間控制子層,ZigBee聯盟提供網絡層和應用層(APL)框架的設計。其中,應用層框架包括應用支持子層(APS)、 ZigBee設備對象和由終端廠商制定的應用對象。 [6] 

相比于常見的無線通信標準,ZigBee 協議套件緊湊而簡單,具體實現的要求較低。

具體標準

2012年4月,國際ZigBee聯盟推出了ZigBee Light Link,便意味著設定了共同標準,可有效地解決上述問題。通過全球主要照明設備制造商的共同開發,ZLL不僅定義了一種先進的燈控應用信息傳遞協議,而且還納入一種簡單的配置機制,使消費者可以開箱即用,系統配置就像按一下按鈕一樣簡單。除了這些新特點外,ZLL具有所有ZigBee網絡的固有技術優勢,實現了基于IEEE802.15.4的低功率、低成本、健壯、安全的無線網絡。

ZigBeeLightLink的總體特點:

家庭領域的低成本無線燈控解決方案

安裝簡單直觀、無需額外工具和專業知識

系統易于擴展,產品具有互操作性

可靠、穩健的網絡技術,且與其它ZigBee標準與設備兼容

主要照明設備制造商構建全球生態系統,為終端用戶創造價值

遍布全球的成熟產業鏈——低成本、高性能的SoC解決方案

經認證的貨架軟件解決方案

ZigBee Bulding Automation是能夠對商業樓宇系統進行安全可常監控與控制的互操作性產品的全球標準,它是唯BACnet@認可的商業樓宇無線網狀網絡。利用ZigBee Building Automation的產品使樓字擁有者和運營者能夠控制里多樓宇類型(以前不能覆蓋的房間或破感區域),這都要歸功于其低功耗無線運作。現有的有線BACnet樓宇自動化系統可以更低的運作成本、更方便地進行拓展。這項標準由眾多聯盟成員共同制定,Conver-gence Wireless、江森自控施耐德電氣、西門子、英格索和Ubilogixn做出了巨大貢獻。 [7] 

應用及前景

前景

ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網絡技術,它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。ZigBee此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術,主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準,在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很低的功耗,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器,因此它們的通信效率非常高。最后,這些數據就可以進入計算機用 于分析或者被另外一種無線技術如wiMax收集。 ZigBee的目標市場主要有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫護(監視器和傳感器)、工控(監視器、傳感器和自動控制設備)等非常廣闊的領域。 [8] 

ZigBee技術的先天性優勢,使得它在物聯網行業逐漸成為一個主流技術,在工業、農業、智能 家居等領域得到大規模的應用。例如,它可用于廠房內進行設備控制、采集粉塵和有毒氣體等數據;在農業,可以實現溫濕度、PH值等數據的采集并根據數據分析的結果進行灌溉、通風等聯動動作;在礦井,可實現環境檢測、語音通訊和人員位置定位等功能。 [8] 

應用實例

在智能家居領域中的實踐應用

ZigBee無線通信技術憑借其一系列特征優勢,因而在眾多智能家居中得到廣泛推廣,而對于該項技術的應用,離不開因特網網絡技術的有力支持。因為家居房屋建筑面積存在一定局限性,由此為ZigBee無線通信技術應用創造了適用條件。ZigBee無線通信技術在智能家居中的應用,主要表現為:其一,打造整體性ARM,以實現對不同家居的智能控制;其二,選擇合理區域安裝ZigBee路由設備,建立起其與對應網絡的有效連接;其三,對一系列終端設備開展ZigBee模塊合理安裝,以實現不同信息的有效交互。在實踐應用中,可采取適用的控制手段,諸如遙控器控制、聲音控制等,即為可通過遙控器裝置對冰箱制冷、微波爐等進行指令控制;可通過聲音指令以實現對電視機的開機或關機操作,等等。為了確保控制的高效性,應當保證信號口的有效連接,唯有如此方可實現對家居設備的有效控制。將ZigBee無線通信技術應用于智能家居領域,一方面可提高家居操作的便捷性,縮減家居成本;另一方面可提高人們的生活居住體驗,切實彰顯該項技術的實用性。除此之外,ZigBee無線通信技術還可實現有效的信號抗干擾功能,為人們創造便利的同時,還可縮減對其他用戶造成的信號干擾。 [1] 

在倉儲物流系統中的實踐應用

隨著倉儲物流系統的推廣,對于無限數據傳輸系統的應用需求呈現出不斷攀升的趨勢,于此期間,特別對無線通信技術提出了高效、低成本的要求,所以,ZigBee無線通信技術憑借其安全可靠、多路徑路由方式等特征,尤為適用于倉儲物流系統中。對于ZigBee無線通信技術在倉儲物流系統中的實踐應用,具體而言:其一,對現場車輛的調度安排。因為車輛與控制臺相互間的聯系尤為重要,而常規無線通信協議難以確保可在倉儲物流此類應用環境中的傳輸距離,所以可引入ZigBee無線通信技術以實現對該部分問題的有效解決。其二,可將網狀ZigBee無線通信技術網絡結構應用于倉儲物流中,依托數據接力、動態路由等途徑,切實保證全面系統通信的可靠性、高效性。其三,對于倉儲物流中的車輛而言,它們的總是要進行不斷的移動,而常規無線通信協議在找尋最佳路徑時總是會表現出靈活性不足的問題,而通過對ZigBee無線通信技術的應用,憑借其網絡拓撲結構可滿足信息傳輸路徑不斷轉變的需求,并可靈活提供一條理想的傳輸路徑以確保通信的質量。所以,依托設置科學適用的ZigBee節點,可促進全面物流倉儲系統的健康穩定運行。 [1] 

2022年,中移物聯網攜手ZETA構建產業生態,助力汽車供應鏈借“技”突圍。 [9] 

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