ZigBee技术分析及发展前景

licheng521

当今世界通信技术迅猛发展，随着Internet的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术的发展呈现三大趋势：无线化、宽带化和IP化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强势的增长态势。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。无线通信技术满足了用户对在不同移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员流动性大、工作生活节奏紧张的发展趋势。另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点，对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速为用户提供语音和数据服务的最佳手段。目前, 各类网络中最具增长潜力的是无线网络, 许多机构会选择采用无线局域网( WLAN) 来拓展他们的现有网络, 获得在机构区域内部移动接入网络的能力。近距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的作用。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-Rate WirelessPersonal Area Network)的发展。
一、Zigbee技术
紫蜂（ZigBee）这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂是靠飞翔和“嗡嗡”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。
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。ZigBee过去又称为“HomeRFlite”， “RF-EasyLink”或 “FireFly”无线电技术， 目前统一称为ZigBee技术。
ZigBee是IEE802.15.4协议的代名词。根据该协议规定这是一种短距离、低功耗的无线通信技术。IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础， 蛋ZigBee不仅只是IEEE 802.15.4的名字。因为IEEE 802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化， 完整的ZigBee协议套件由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定。IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方。在网络层方面，其主要工作在于负责网络机制的建立于管理，并具有自我组态与自我修复功能。在网络层中，ZigBee定义了3中角色：第一个是网络协调者，负责网络的建立，以及网络位置的分配；第二个是路由器，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包；第三个是末端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息，不具备路由功能。在同一个WPAN上，可以存在65536个ZigBee装置，彼此课通过多重调点的方式传递信息。为了在省电、复杂度、稳定性与实现难易度等因素上取得平衡，网络层采用的路由算法共有3种：以AODV算法建立随意网络的拓扑架构；以摩托罗拉Cluster-tree算法的方法建立星状的拓扑架构；以及利用广播的方式传递信息。因此，人们可根据具体应用需求，选择适合的网络架构。为了降低系统成本，IEEE定义了两种类型的装置：全功能装置（FFD）、简化功能装置(RFD)，可构成多种网络拓扑结构。
ZigBee是应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗(长电池寿命)且极廉价的市场定位，主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中,支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等。在工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域,将拥有广阔的应用前景。
二、ZigBee技术的优点与不足
ZigBee的工作频率有下面三种标准：
（1）868 MHz 传输速率为20 kb/s，适用于欧洲；
（2）915 MHz 传输速率为40kb/s，适用于美国；
（3）2.4 GHz  传输速率为250kb/s，全球通用。
目前国内都在使用2.4GHz的工作频率，其带宽为5MHz，有16个信道。采用直接扩频（DSSS）方式的OQPSK调制技术。而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30-50m作用距离，在室外如果障碍物少，甚至可以达到100m作用距离。
ZigBee技术的优势：
（1）功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
（2）成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
（3）网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65535个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
（4）时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。
（5）可靠。采用了碰撞避免机制，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。
（6）安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
ZigBee技术的不足：
ZigBee技术本身是一种为低速通信而设计的规范，它的最高通信速度只有250kb/s,对一些大数据量通信的场合它并不合适,但是这一特点会逐渐改变,一些 厂商生产的ZigBee芯片目前也突破了这个限制,如CEL公司的ZICM2410，已经 达到1MHz的传输速率。
三、各种短距离通信技术
从结构上来说，WLAN主要是一种服务器-客户端的结构，移动设备扮演的是客户端角色，而服务端是网络中心设备；蓝牙的实现可以使点到点或点到多点的结构；而IrDA技术书的两移动互联设备是点对点的结构。WLAN、UWB、ZigBee技术等可以作为移动Ad hoc网络的底层技术。
UWB和ZigBee技术均可应用于无线数字家庭组网，两种技术优势互补：UWB技术数据传输速率高，在无线数字家庭网络中主要用于传输大容量的影音节目信号；ZigBee技术具有低传输速率、低功耗和低成本的特点，主要用于控制家用电器的启动和关闭，而相对来说，Wi-Fi更多地是用于较大组网区域的接入部分，主要用于数据存取。
Bluetooth、UWB无线技术能够穿透实心物体；FNC、IrDA、ZigBee无法穿透实心物体，或受障碍物影响较大，因此传送距离和环境大大受限。
从速率上看，大致有：
UWB>WLAN>IrDA>蓝牙>RFID/NFC>ZigBee
从传输距离上看，大致有：
WLAN>ZigBee>UWB>蓝牙>IrDA>RFID/NFC
四、ZigBee的应用现状
ZigBee的出发点是希望能发展出一种易布建的低成本无线网络，同时期低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。ZigBee技术弥补了低成本，低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现，互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置ZigBee功能的设备进入生活，并极大地改善我们的生活方式和体验。
在国内，目前ZigBee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用ZigBee技术。例如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过ZigBee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。再如，ZigBee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过ZigBee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在加油站，一些客户不希望布线，他们正在考虑采用ZigBee无线技术来传输相关数据。
在消费类电子方面，ZigBee技术可以替现在的红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中的门和窗上都安装了ZigBee网络，当有人闯入时，ZigBee可以控制开启室内摄像装置，这些数据再通过Internet或WLAN网络反馈给主人，从而实现报警。当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，用户可以通过ZigBee无线网络来控制这些产品的开启。
在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用ZigBee技术。三表（电表，气表和水表）上采用ZigBee技术，相关管理部门不但可以实现自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生.
五、ZigBee技术的应用前景
ZigBee技术的应用前景被非常看好。ZigBee在未来的几年里将在工业控制，工业无线定位，家庭网络，汽车自动化，楼宇自动化，消费电子，医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后ZigBee芯片的主要应用领域。
在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。
在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备，主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化，网络化，职能化和远程控制的设备来耕种。
在家庭和楼宇自动化领域，家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展，易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因。
在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络准确而且实时地监测病人的血压，体温和心跳速度等信息，从而减轻医生的查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。
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