本文采用問(wèn)答形式向你詳細(xì)地介紹了方方面面,不夸口的說(shuō),你所需要知道的關(guān)于 ZigBee的一切,在這里基本可以了解到!
在智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,時(shí)下大名鼎鼎的ZigBee可謂是無(wú)人不知,無(wú)人不曉。作為除了WiFi、藍(lán)牙之外,ZigBee是目前最重要的無(wú)線通信協(xié)議之一,主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)和智能硬件等領(lǐng)域。
Chapter1 起源歷史篇
1、ZigBee起源什么技術(shù)?
在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)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(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,而且,對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),這種無(wú)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(guò)人們長(zhǎng)期努力,ZigBee協(xié)議在2003年中正式問(wèn)世了。另外,ZigBee使用了在它之前所研究過(guò)的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite。
2、什么是ZigBee?
首先ZigBee的Mac層、PHY層是 IEEE802.15.4協(xié)議的。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(wú)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(lái)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(lái)形象地描述這種 無(wú)線信息傳輸技術(shù)。
3、ZigBee技術(shù)有哪些特點(diǎn)?
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(zhǎng)。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(guò)大幅簡(jiǎn)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(zhuān)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(guò)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(wú)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(chēng)密碼,以靈活確定其安全屬性;(8)免執(zhí)照頻段:
使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段,915MHz(美國(guó)),868MHz(歐洲),2.4GHz(全球)。由于此三個(gè)頻帶物理層并不相同,其各自信道帶寬也不同,分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個(gè), 10個(gè)和16個(gè)信道。這三個(gè)頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式亦有區(qū)別。擴(kuò)頻都使用直接序列擴(kuò)頻(DSSS),但從比特到碼片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù),但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK,而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。
在發(fā)射功率為0dBm的情況下,藍(lán)牙通常能有10米的作用范圍。而ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離,在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米(TI CC2530不加功率放大)。
所以,ZigBee可歸為低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)。
4、為什么說(shuō)ZigBee是順應(yīng)工業(yè)自動(dòng)化對(duì)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸日益增長(zhǎng)的需求而產(chǎn)生的?
ZigBee 技術(shù)本身,就是因?yàn)樗{(lán)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(wú)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(wú)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。
Chapter2 通信技術(shù)篇
1、ZigBee使用那種協(xié)議?
IEEE802.15.4協(xié)議,這是一種低傳送速率的無(wú)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)。
2、為什么ZigBee無(wú)線通信使用2.4G頻段是免費(fèi)頻段?
在我國(guó)和世界上大多數(shù)其他國(guó)家,一般使用無(wú)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(guò)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)向國(guó)家支付了這筆費(fèi)用,并通過(guò)號(hào)碼占用費(fèi)等方式向用戶(hù)收取了這筆費(fèi)用。
在使用其它無(wú)線設(shè)備時(shí),你首先要向國(guó)家相關(guān)部門(mén)申請(qǐng)頻率使用許可,然后根據(jù)你的無(wú)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(guó)家根據(jù)各自的實(shí)際情況,并考慮盡可能與世界其他國(guó)家規(guī)定的一致性,而劃分出來(lái)的一個(gè)頻段,專(zhuān)門(mén)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(guó)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(guó)家對(duì)該頻段內(nèi)的無(wú)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(guò) 100mW。
3、ZigBee僅適合近距離通信嗎?
ZigBee局域網(wǎng)絡(luò)不僅可以通過(guò)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(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò),而且還可以通過(guò)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:
4、ZigBee采用直序擴(kuò)頻的通信方式有什么好處?
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,F(xiàn)SK,F(xiàn)HSS,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(guò)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,也就是說(shuō),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(shuō),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):
5、ZigBee與現(xiàn)有數(shù)傳電臺(tái)的比較有哪些特點(diǎn)?
其優(yōu)點(diǎn)如下:
可靠性高
:由于ZigBee模塊的集成度遠(yuǎn)比一般數(shù)傳電臺(tái)高,分離元器件少,因而可靠性更高;使用方便安全:
因?yàn)榧啥雀?,比起一般?shù)傳電臺(tái)來(lái),ZigBee收法模塊體積可以做得很小,而且功耗低,最大發(fā)射電流比一個(gè)CDMA手機(jī)還要小許多,因而很容易集成或直接安放在到設(shè)備之中,不僅使用方便,而且在戶(hù)外攜帶使用時(shí)不容易受到損壞;抗干擾力強(qiáng),保密性好,誤碼率低
:ZigBee收發(fā)模塊使用的是2.4G 直序擴(kuò)頻技術(shù),比起一般FSK,ASK和跳頻的數(shù)傳電臺(tái)來(lái),具有更好的抗干擾能力,和更遠(yuǎn)的傳輸距離;免費(fèi)頻段:
ZigBee使用的是免費(fèi)頻段,而許多數(shù)傳電臺(tái)所使用的頻段不僅需要申請(qǐng),而且每年都需要向國(guó)家無(wú)委會(huì)交納相當(dāng)?shù)念l率使用費(fèi);價(jià)格低
: ZigBee數(shù)傳模塊的價(jià)格只有具有類(lèi)似功能的數(shù)傳電臺(tái)的幾分之一。6、為什么ZIGBEE的抗干擾性能高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)?
摩爾實(shí)驗(yàn)室(MORLAB)經(jīng)過(guò)近段時(shí)間對(duì)ZigBee技術(shù)的研究及相關(guān)測(cè)試實(shí)踐總結(jié)出如下幾點(diǎn),這也是ZigBee產(chǎn)品抗干擾能力強(qiáng)的主要原因。
ZigBee抗干擾特性主要是抗同頻干擾,即來(lái)自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。主要特性如下:
1、空閑信道評(píng)估(Clear Channel Assessment,CCA):
判斷信道是否空閑。IEEE 802.15.4 物理層在碰撞避免機(jī)制中提供CCA的能力,即如果信道被其他設(shè)備占用,則允許傳輸退出而不必考慮采用該信道的通信協(xié)議。
現(xiàn)主要有3種空閑信道評(píng)估模式:
2、動(dòng)態(tài)信道選擇:
ZigBee 個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)中的協(xié)調(diào)器(網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組織和維護(hù))。首先要掃描所有的信道,然后確認(rèn)并加入一個(gè)合適的PAN(不需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新的PAN),減少同頻段PAN的數(shù)量,降低潛在的干擾。如果干擾源出現(xiàn)在重疊的信道上,協(xié)調(diào)器上層的軟件要應(yīng)用信道算法選擇一個(gè)新的信道。
3、信道算法:
在網(wǎng)絡(luò)初始化或者響應(yīng)中斷時(shí),ZigBee 設(shè)備都會(huì)先掃描一系列被列入信道表參數(shù)中的信道,以便進(jìn)行動(dòng)態(tài)信道選擇,按照上述空閑信道來(lái)設(shè)置信道表參數(shù),以便加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的共存性能。
在嚴(yán)重干擾期間,ZigBee不改變信道,而是依靠其低占空比、免沖突算法(每個(gè)設(shè)備在發(fā)送數(shù)據(jù)之前偵聽(tīng)信道)來(lái)減小由于傳輸沖突所造成的數(shù)據(jù)丟失。
4、 直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS) 和頻率快變FA:
直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果(如下圖所示),在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)(發(fā)射功率為0dBm的情況下,Bluetooth有10m作用范圍,而ZigBee在室內(nèi)能達(dá)到30——50m作用范圍)。所謂頻率快變是改變頻率、以避開(kāi)一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源的影響。
由上圖可見(jiàn),ZigBee的誤碼率在信噪比為4dB的情況下可達(dá)10-9 ,要達(dá)到同樣誤碼率,Wi-Fi要達(dá) 10dB,藍(lán)牙高達(dá)16dB, ZIGBEE的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)。
5、應(yīng)答重傳和幀緩存:
ZigBee的MAC層和應(yīng)用層(APS部分)具有自動(dòng)請(qǐng)求重傳ARQ和幀緩存功能。當(dāng)傳送數(shù)據(jù)幀給設(shè)備時(shí),如果接收設(shè)備處于忙或者休眠狀態(tài)而不能接收該幀,那么網(wǎng)絡(luò)的主協(xié)調(diào)設(shè)備就暫時(shí)緩存該幀,直到接收端接收該幀。
雖然調(diào)制方式很簡(jiǎn)單,但ZigBee在2.4GHz ISM頻段表現(xiàn)出了很好的抗干擾性能,非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合。目前ZiBee產(chǎn)品在CE認(rèn)證中主要采用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為EN300328、而在FCC中則主要采用Part 15C的測(cè)試。
Chapter3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)篇
1、ZigBee是具有怎樣的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)?
簡(jiǎn)單的說(shuō),ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò),ZigBee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里,并且支持無(wú)線擴(kuò)展。
ZigBee 是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng),每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站,在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi),它們之間可以進(jìn)行相互通信;每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米,到擴(kuò)展后的幾百米,甚至幾公里。
與移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是,ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,因而,它必須具有簡(jiǎn)單,使用方便,工作可靠,價(jià)格低的特點(diǎn)。移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語(yǔ)音通信而建立,每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬(wàn)元人民幣以上,而每個(gè)ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。
每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象,例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料。除此之外,每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi),和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。
每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD和RFD)可以支持多達(dá)31個(gè)的傳感器和受控設(shè)備,每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式??梢圆杉蛡鬏敂?shù)字量和模擬量。
2、ZigBee所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事?
舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,當(dāng)一隊(duì)傘兵空降后,每人持有一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端,降落到地面后,只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi),通過(guò)彼此自動(dòng)尋找,很快就可以形成一個(gè)互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。由于人員的移動(dòng),彼此間的聯(lián)絡(luò)還會(huì)發(fā)生變化。因而,模塊還可以通過(guò)重新尋找通信對(duì)象,確定彼此間的聯(lián)絡(luò),對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新。這就是自組織網(wǎng)。
3、ZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來(lái)通信?
網(wǎng)狀網(wǎng)通信實(shí)際上就是多通道通信,在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),由于各種原因,往往并不能保證每一個(gè)無(wú)線通道都能夠始終暢通,就像城市的街道一樣,可能因?yàn)檐?chē)禍,道路維修等,使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷,此時(shí)由于我們有多個(gè)通道,車(chē)輛(相當(dāng)于我們的控制數(shù)據(jù))仍然可以通過(guò)其他道路到達(dá)目的地。而這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制 而言則非常重要。
4、為什么自組織網(wǎng)要采用動(dòng)態(tài)路由的方式?
所謂動(dòng)態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的,而是傳輸數(shù)據(jù)前,通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索,分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近,然后選擇其中的一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中,路徑的選擇使用的是“梯度法”,即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸,如傳不通,再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通路進(jìn)行傳輸,以此類(lèi)推,直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。
在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化,或者因各種原因路徑被中斷了,或者過(guò)于繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài) 路由結(jié)合網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),就可以很好解決這個(gè)問(wèn)題,從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。
1、ZigBee和現(xiàn)有的通信移動(dòng)網(wǎng)(GPRS,CDMA-1X)比較有哪些特點(diǎn)?
其特點(diǎn)為:
(1)無(wú)網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi):
使用移動(dòng)網(wǎng)需要長(zhǎng)期支付網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi),而且是按節(jié)點(diǎn)終端的數(shù)量計(jì)算的,而ZigBee沒(méi)有這筆費(fèi)用;(2)設(shè)備投入低:
使用移動(dòng)網(wǎng)需要購(gòu)買(mǎi)移動(dòng)終端設(shè)備,每個(gè)終端的價(jià)格在人民幣1000元上下,而使用ZigBee網(wǎng)絡(luò),不僅ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊(相當(dāng)于基站)費(fèi)用每只人民幣不到1000元,而且,主要使用的網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)(相當(dāng)于手機(jī))的價(jià)格還要低得多;(3)通信更可靠:
由于現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)主要是為手機(jī)通信而設(shè)計(jì)的,盡管CDMA-1X和GPRS可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,但實(shí)踐發(fā)現(xiàn),不僅通信速率比設(shè)計(jì)速率低很多,而且 數(shù)據(jù)通信的可靠信、連續(xù)性在許多情況下也得不到保證。而ZigBee網(wǎng)絡(luò)則是專(zhuān)門(mén)為控制數(shù)據(jù)的傳輸而設(shè)計(jì)的,因而控制數(shù)據(jù)的傳輸具有相當(dāng)?shù)谋WC;(4)高度的靈活性和低成本
:首先,通過(guò)使用覆蓋距離不同,功能不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),以及其它非ZigBee系統(tǒng)的低成本的無(wú)線收發(fā)模塊,建立起一個(gè) ZigBee局部自動(dòng)化控制網(wǎng),再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)網(wǎng)與遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)相連,從而實(shí)現(xiàn)低成本,高效率的工業(yè)自動(dòng)化遙測(cè)遙控;“無(wú)限”擴(kuò)大它的覆蓋范圍
,而且可以與現(xiàn)有的移動(dòng)網(wǎng),互聯(lián)網(wǎng)和其它通信網(wǎng)絡(luò)相連接。并通過(guò)這些網(wǎng)絡(luò)將許多個(gè)ZigBee局域網(wǎng)相互連成為一個(gè)整體。有效的解決移動(dòng)網(wǎng)的盲區(qū)覆蓋問(wèn)題
:我們知道,現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在許多 地方存在盲區(qū),特別是鐵路,公路,油田,礦山等野外,更是如此。而增加一個(gè)移動(dòng)基站或直放站的費(fèi)用是相當(dāng)可觀的,此時(shí)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行盲區(qū)覆蓋不 僅經(jīng)濟(jì)有效,而且往往是現(xiàn)在唯一可行手段。6、ZigBee怎樣實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測(cè)遙控?
ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以通過(guò)接口卡等多種方式,與互聯(lián)網(wǎng),GPRS網(wǎng),CDMA1x網(wǎng)以及其它通信系統(tǒng)線連接,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。你也可以通過(guò)其它網(wǎng)絡(luò),將兩個(gè)或多個(gè)局部ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接在一起。
Chapter4 市場(chǎng)應(yīng)用篇
1、ZigBee技術(shù)有哪些應(yīng)用領(lǐng)域?
ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對(duì),工業(yè),家庭自動(dòng)化,遙測(cè)遙控,例如燈光自動(dòng)化控制,傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控,油田,電力,礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。
2、ZigBee實(shí)現(xiàn)了哪些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅?/strong>
要求低功耗,低數(shù)據(jù)量(250KPS),低成本,使用免費(fèi)的ISM頻段(2.4G),高的抗干擾性能的直序擴(kuò)頻通信方式(DSSS),高保密性(64位出廠編號(hào)和支持AES-128加密),高集成度和高的可靠性;
節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)的功能,采用了包括網(wǎng)狀網(wǎng)在內(nèi)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使用了碰撞避免機(jī)制,信息在整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)自動(dòng)路由的方式進(jìn)行傳輸,從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
3、ZigBee可以在哪些方面拓展應(yīng)用?
ZigBee 應(yīng)用:其范圍非常廣泛,可以針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控、汽車(chē)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理、油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。
實(shí)際應(yīng)用舉例如下:照明控制、環(huán)境控制、自動(dòng)讀表系統(tǒng)、各類(lèi)窗簾控制、煙霧傳感器、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、大型空調(diào)系統(tǒng)、內(nèi)置家居控制的機(jī)頂盒及萬(wàn)能遙控器、暖氣控制、家庭安防、工業(yè)和樓宇自動(dòng)化。另外它還可以對(duì)局部區(qū)域內(nèi)移動(dòng)目標(biāo)例如城市中的車(chē)輛進(jìn)行定位。
4、凡符合什么條件的短距離通信就可以考慮采用ZigBee技術(shù)?
通常,符合如下條件之一的短距離通信就可以考慮應(yīng)用ZigBee:
5、ZigBee技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用情況怎樣?
盡管?chē)?guó)內(nèi)不少人已經(jīng)開(kāi)始關(guān)注ZigBee這項(xiàng)新技術(shù),而且也有不少企業(yè)開(kāi)始涉足ZigBee技術(shù)的開(kāi)發(fā),然而,考慮到ZigBee本身是一種新的系統(tǒng)集成技術(shù),應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)必須用網(wǎng)絡(luò)傳輸,射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起,所以對(duì)于初期開(kāi)發(fā)的企業(yè)來(lái)說(shuō)具有一定的技術(shù)難度。由于各方面的制約,ZigBee技術(shù)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時(shí)日。
但是目前已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價(jià)值,相信隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn),一定會(huì)得到更大的應(yīng)用。但是,我們還應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到,基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)才剛剛開(kāi)始發(fā)展,它的技術(shù)、應(yīng)用都還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上成熟,國(guó)內(nèi)企業(yè)應(yīng)該抓住商機(jī),加大投入力度,推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。
五、ZigBee聯(lián)盟
1、ZigBee聯(lián)盟的使命是什么?
ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)高速成長(zhǎng)的非盈利業(yè)界組織,成員包括國(guó)際著名半導(dǎo)體生產(chǎn)商、技術(shù)提供者、技術(shù)集成商以及最終使用者。聯(lián)盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性?xún)r(jià)比、低功耗的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用規(guī)格。
2、ZigBee聯(lián)盟的目標(biāo)是什么?
ZigBee 聯(lián)盟的主要目標(biāo)是以通過(guò)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能,為消費(fèi)者提供更富有彈性、更容易使用的電子產(chǎn)品。ZigBee技術(shù)能融入各類(lèi)電子產(chǎn)品,應(yīng)用范圍橫跨全球的民 用、商用、公共事業(yè)以及工業(yè)等市場(chǎng)。使得聯(lián)盟會(huì)員可以利用ZigBee這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)省電力的各種產(chǎn)品來(lái)。
3、ZigBee聯(lián)盟所鎖定的焦點(diǎn)是什么?
其焦點(diǎn)為制定網(wǎng)絡(luò)、安全和應(yīng)用軟件層;提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及互通性測(cè)試規(guī)格;在世界各地推廣ZigBee品牌并爭(zhēng)取市場(chǎng)的關(guān)注;管理技術(shù)的發(fā)展。
4、ZigBee聯(lián)盟在標(biāo)準(zhǔn)上所做的工作是什么?
ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的制定:IEEE802.15.4的物理層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層,標(biāo)準(zhǔn)已在2003年5月發(fā)布。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、加密層及應(yīng)用描述層的制定也取得了較大的進(jìn)展。V1.0版本已經(jīng)發(fā)布。其他應(yīng)用領(lǐng)域及其相關(guān)的設(shè)備描述也會(huì)陸續(xù)發(fā)布。
由于ZigBee不僅只是802.15.4的代名詞,而且IEEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議,因此ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。完全協(xié)議用于一次可直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)的4K字節(jié) 或者作為Hub或路由器的協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn),而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒(méi)有限制。
ZigBee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層,以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí),而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)獲得。
ZigBee 聯(lián)盟強(qiáng)調(diào)設(shè)備的互通性:很多近距離電子產(chǎn)品嵌入了ZigBee模塊都已具有ZigBee功能,還有許多各種產(chǎn)品預(yù)留了ZigBee的接口以備日后隨時(shí)升級(jí)。各類(lèi)網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā),網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品支持ZigBee系統(tǒng)與家居控制網(wǎng)絡(luò)、智能建筑網(wǎng)絡(luò)及商用網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)有的設(shè)施互聯(lián)等。
5、ZigBee聯(lián)盟董事會(huì)成員有哪些企業(yè)?
以“推動(dòng)者”身份加入ZigBee聯(lián)盟并成為聯(lián)盟董事會(huì)成員的企業(yè)有十六家:
康卡斯特有線(ComcastCable)
艾創(chuàng)(ItronInc.)
克羅格(TheKroger Co.)
蘭吉爾(Landis+Gyr)
羅格朗(Legrand Group)
美的集團(tuán)(Midea Group)
恩智浦半導(dǎo)體(NXPSemiconductors)
飛利浦(Philips)
施耐德(Schneider Electric)
芯科(SiliconLabs)
三星(SmartThings
尚飛(SOMFY)
德州儀器(TexasInstruments)
物聯(lián)傳感(Wulian)
華為(HUAWEI)
立達(dá)信(LEEDARSON)
6、ZigBee聯(lián)盟高層有哪些人員?
ZigBee聯(lián)盟主席兼首席執(zhí)行官:Tobin Richardson。
ZigBee聯(lián)盟董事會(huì)主席:John E. Osborne II(立達(dá)信)
ZigBee聯(lián)盟董事會(huì)副主席:
Jean-Pierre Desbenoit(施耐德電氣)
HansDollee(恩智浦半導(dǎo)體)
Musa Unmehopa(飛利浦照明)
Bruno Vulcano(羅格朗集團(tuán))
David Randolph Hoelscher(華為)
Juston Zhu 朱劍(物聯(lián)傳感)(第一個(gè)華人副主席,也是第一個(gè)亞洲人副主席)
ZigBee聯(lián)盟財(cái)務(wù)官:Jean-Michel Orsat(尚飛集團(tuán))
ZigBee聯(lián)盟董事會(huì)秘書(shū):Michael Koster(三星/ SmartThings)
Chapter6 ZigBee3.0技術(shù)
極客公園一篇《為什么要裝這么多 App 去控制我的「智能家電」?》的文章在智能家居圈子引起了很大的反響,直擊了智能家居行業(yè)不同廠家的產(chǎn)品不能互聯(lián)互通的行業(yè)痛點(diǎn)。
文章中寫(xiě)到智能家居行業(yè)中如此多的APP給用戶(hù)造成很大的困擾。用戶(hù)如果需要使用不同廠商生產(chǎn)的智能設(shè)備,必須購(gòu)買(mǎi)不同廠商的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)備和使用不同廠家的APP去控制智能設(shè)備,這極大的降低了用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)和使用智能家居產(chǎn)品的熱情。
那么造成智能家居不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的根本原因是什么呢?那還得從智能家居產(chǎn)業(yè)鏈說(shuō)起。
1、智能家居的產(chǎn)業(yè)鏈與互聯(lián)互通
智能家居產(chǎn)業(yè)鏈分為協(xié)議(或稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn))提供商、IC芯片廠家(通常也是軟件協(xié)議棧提供商)、解決方案商、智能家居產(chǎn)品商。我們主要從智能家居產(chǎn)業(yè)鏈的源頭協(xié)議說(shuō)起。
智能家居的主流協(xié)議主要分為:Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave。
Wi-Fi協(xié)議主要由于高功率、組網(wǎng)相對(duì)復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)少等原因不能夠大規(guī)模應(yīng)用于智能家居的設(shè)備中,但由于Wi-Fi高傳輸率的特性非常適合應(yīng)用于智能攝像頭等智能家居產(chǎn)品。所以Wi-Fi協(xié)議在智能家居中角色主要是作為補(bǔ)充協(xié)議存在。
Z-Wave協(xié)議由于低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無(wú)線通信、互通性高在歐洲得到了比較廣泛的應(yīng)用,Z-Wave的網(wǎng)關(guān)是可以控制不同廠家基于Z-Wave協(xié)議的設(shè)備,但是由于Z-Wave在頻段在908.42MHz(美國(guó))~868.42MHz(歐洲)之間,這個(gè)區(qū)間的頻段在中國(guó)屬于工業(yè)頻段,不能夠民用,所以Z-Wave協(xié)議在國(guó)內(nèi)計(jì)幾乎沒(méi)有應(yīng)用。
ZigBee協(xié)議憑借低功耗、網(wǎng)狀組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)多、高安全性等屬性成為在智能家居行業(yè)應(yīng)用最廣泛的協(xié)議。只可惜,ZigBee協(xié)議最大的問(wèn)題是互通性不好,不同廠家雖然都是采用ZigBee協(xié)議,但是就是不能互相控制。
2、ZigBee的前世今生
ZigBee協(xié)議的誕生源于對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求。為了滿足不同的應(yīng)用背景,ZigBee聯(lián)盟先后頒布:ZigBee Home AutomaTIon (ZigBee HA), ZigBee Light Link(ZigBee LL), ZigBee Building AutomaTIon(ZigBee BA), ZigBee Retail Services(ZigBee RS), ZigBee Health Care(ZigBee HC), ZigBee TelecommunicaTIon services(ZigBee TS) 等應(yīng)用層協(xié)議來(lái)滿足智能家居、智能照明、智能建筑、智能零售、智能健康、智能通信服務(wù)等領(lǐng)域。
問(wèn)題是這些應(yīng)用層協(xié)議是獨(dú)立不互通的。由于早期ZigBee版本由于標(biāo)準(zhǔn)化做的不好,給了廠商太多選擇,很多廠商雖然采用了ZigBee HA的協(xié)議,但是終端的智能家居廠商根據(jù)自家的需求定制化了ZigBee HA,而非標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議,導(dǎo)致不同廠家產(chǎn)品還是不能互聯(lián)互通。也有點(diǎn)類(lèi)似于Android,不同手機(jī)廠商都是采用Android系統(tǒng),但是都進(jìn)行了大量的定制化,導(dǎo)致最后的手機(jī)系統(tǒng)也是千差萬(wàn)別。
ZigBee聯(lián)盟對(duì)于ZigBee HA的標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題也是傷透了腦筋,為此,還專(zhuān)門(mén)組織一批組織機(jī)構(gòu)做ZigBee HA認(rèn)證,比如最新的ZigBee HA1.2認(rèn)證,只要經(jīng)過(guò)ZigBee HA1.2認(rèn)證的產(chǎn)品就能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。
智能家居不能互聯(lián)互通的根本原因是應(yīng)用智能家居最廣泛的ZigBee協(xié)議有很多應(yīng)用層協(xié)議,不同的應(yīng)用層協(xié)議彼此是獨(dú)立不互通的;另外即使采用相同的應(yīng)用層協(xié)議,也有可能由于應(yīng)用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化的問(wèn)題導(dǎo)致設(shè)備不兼容。可以說(shuō),ZigBee之前僅僅解決了智能設(shè)備的連接問(wèn)題,但是沒(méi)有解決智能設(shè)備的互聯(lián)互通的問(wèn)題。
3、ZigBee3.0 來(lái)解決智能家居互聯(lián)互通了!
2016年5月,ZigBee聯(lián)盟聯(lián)手ZigBee聯(lián)盟中國(guó)組成員在上海亞洲消費(fèi)電子展(CES Asia)舉辦新聞發(fā)布會(huì)暨剪彩儀式,正式向亞洲市場(chǎng)推出了ZigBee3.0。IC廠商TI、NXP、GreenPeak、Atmel,解決方案商Wulian物聯(lián)傳感、順舟智能科技,智能家居廠商飛利浦、美的等主要智能家居上下游玩家均參加了新聞發(fā)布會(huì)。
ZigBee聯(lián)盟推出ZigBee3.0主要的任務(wù)就是為了統(tǒng)一ZigBee Home Automation (ZigBee HA), ZigBee Light Link(ZigBee LL), ZigBee Building Automation(ZigBee BA), ZigBee Retail Services(ZigBee RS), ZigBee Health Care(ZigBee HC), ZigBee Telecommunication services(ZigBee TS)等應(yīng)用層協(xié)議,解決了不同應(yīng)用層協(xié)議之間的互聯(lián)互通問(wèn)題,用戶(hù)只要購(gòu)買(mǎi)任意一個(gè)經(jīng)過(guò)ZigBee3.0的網(wǎng)關(guān)就可以控制不同廠家基于ZigBee3.0的智能設(shè)備。
ZigBee3.0統(tǒng)一了采用不同應(yīng)用層協(xié)議的ZigBee設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、加入和組網(wǎng)方式,使得ZigBee設(shè)備的組網(wǎng)更便捷、更統(tǒng)一。另外,ZigBee3.0也進(jìn)一步加強(qiáng)了ZigBee網(wǎng)路的安全性。
稍顯遺憾的是,ZigBee3.0并沒(méi)有統(tǒng)一ZigBee Smart Energy 應(yīng)用層協(xié)議。ZigBee應(yīng)用層協(xié)議用于讀取電表的電量數(shù)據(jù),比如應(yīng)用了ZigBee Smart Energy的智能家庭可以知道每個(gè)家庭每月,每個(gè)星期、甚至每天的電量數(shù)據(jù),物業(yè)管理公司和電力公司可以實(shí)時(shí)知道每個(gè)家庭的電量消耗以便收取電費(fèi)。ZigBee聯(lián)盟也推出了ZigBee3.0認(rèn)證來(lái)規(guī)范各個(gè)廠商使用標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee3.0協(xié)議,以保證基于ZigBee3.0設(shè)備的互通性。
3、智能家居上下游產(chǎn)業(yè)鏈怎么看待ZigBee3.0
ZigBee3.0解決了智能家居領(lǐng)域應(yīng)用最主流協(xié)議ZigBee不同應(yīng)用層協(xié)議互聯(lián)互通的問(wèn)題,也進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化了ZigBee協(xié)議,向智能家居的互聯(lián)互通邁出了一大步,但是在和其他協(xié)議的互聯(lián)互通還要繼續(xù)努力。
這就需要不同的協(xié)議(或稱(chēng)標(biāo)準(zhǔn))提供商繼續(xù)在底層協(xié)議合作和妥協(xié),這個(gè)合作和妥協(xié)的過(guò)程可能會(huì)比較艱難。目前最好的解決方案可能就是智能家居廠商的網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),做統(tǒng)一的UI交互。
Wulian物聯(lián)傳感為此推出WLink萬(wàn)聯(lián)平臺(tái),通過(guò)互利合作建立與WiFi、藍(lán)牙等技術(shù)的連接,快速實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)照明、門(mén)鎖、家電等設(shè)備的升級(jí),以及智能單品之間的互聯(lián)互通。
WLink萬(wàn)聯(lián)平臺(tái)是一個(gè)開(kāi)放性的物聯(lián)網(wǎng)智能家居平臺(tái),以WLink超級(jí)網(wǎng)關(guān)為核心,支持接入ZigBee協(xié)議、WiFi協(xié)議、以太網(wǎng)協(xié)議等多種協(xié)議的設(shè)備,提供終端硬件、通信模塊、軟件應(yīng)用和云服務(wù)等多個(gè)個(gè)性化解決方案。在AWE2016上,在Wulian展廳內(nèi)設(shè)立的WLink萬(wàn)聯(lián)平臺(tái)展區(qū),就將會(huì)云集包括海爾、創(chuàng)維、海信、TCL、九陽(yáng)、美的等在內(nèi)的多家知名的家電廠商。
于2017年初,海信全系列產(chǎn)品均已對(duì)接完成《海信智能家電介紹及使用教程》,而目前在WLink平臺(tái)達(dá)成合作的企業(yè)產(chǎn)品有:海信全系列家電、美的中央空調(diào)、晾霸晾衣架、霍尼韋爾煙感、寧波向往背景音樂(lè)、狗尾草小白機(jī)器人、路可視門(mén)鎖、費(fèi)加羅燃?xì)馓綔y(cè)器等等,現(xiàn)還有更多的產(chǎn)品正在對(duì)接中,后續(xù)將會(huì)有更多企業(yè)及其產(chǎn)品達(dá)成深度合作。
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