ZigBee(紫蜂)是以IEEE802.15.4标准为基础发展起来的短距离无线通信技术。2000年12月成立工作小组起草IEEE802.15.4标准,为了促进 ZigBee技术的发展,2001年8月成立 ZigBee联盟,目前该联盟已经有400多家成员,研发和推广 Zigbee无线通信技术。 一、ZigBee技术定义。 ZigBee技术是一种短距离双向无线通信技术,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。 zgBe技术是一种低速短距离传输的无线网络协议。 ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。 ZigBee是一种无线连接技术,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率;不同频段可使用的信道分别为16个、1个和10个;它的传输距离一般在10~100m的范围内。 二、 ZigBee网络结构。 ZigBee支持三种网络拓扑结构,即星形网、对等网和混合网,如图3-7所示。
在 ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型—协调器、路由器和终端设备。
ZigBee网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成,如图3-8所示。
(1)协调器：协调器的主要功能是整个网络的初始配置和启动。协调器首先需要选择一个信道和一个网络ID(也称 PAN ID),然后再开始启动整个网络。协调器也可以协助在网络安全和应用层的工作。一旦这些都完成后,它的角色就转化成一个路由器。
(2)路由器：路由器的功能主要是允许终端设备以节点的身份加入网络,实多跳路由和协助终端设备的通信。
(3)终端设备：终端设备没有特定的维持网络结构的责任,它可以睡眠或者唤醒,因此它可以是一个电池供电设备。通常,终端设备对存储空间的需要比较小。
三、 ZigBee技术特点。
ZigBee技术具有以下特点。
(1)低功耗：由于 Zig Bee的传输速率低,发射功率仅为1MW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此, Zig Bee设备非常省电。
(2)低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10),降低了对通信控制器的要求,而且 ZigBee免协议专利费。
(3)低速率： ZigBee工作速率为20~250kbit/s,分别提供250kbit/s(2.4GH2)、40kbit/s(915MHz)和20kbit/s(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
(4)短距离：传输范围一般介于10~100m之间,在增加发射功率后,也可增加到1~3km,这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离可以更远。
(5)短时延： ZigBee的响应速度较快,一般休眠激活的时延只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,活动设备信道接入只需15ms,进一步节省了电能。
相比较,蓝牙需要3~10s,WiFi需要3s。
(6)高容量： Zig Bee可采用星形、对等和混合网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网;一个区域内可以同时存在最多100个 ZigBee网络,而且网络组成灵活。
(7)高安全： Zig Bee提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用访问控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES-128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。
(8)高可靠：采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。媒体访问控制层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(9)免执照频段：使用工业科学医疗(ISM)频段、915MHz(美国)868MHz(欧洲)、2.4GHz(全球)。
四、 ZigBee技术应用。
随着 ZigBee技术的进一步完善,基于 ZigBee技术的产品正逐渐被开发。采用zgBe技术的无线网络应用领域有数字家庭领域、工业领域、智能交通领域等。
(1)数字家庭领域： ZigBee技术可以应用于家庭的照明、温度、安全控制等,ZgBe模块可安装在电视、灯具、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品等,例如在灯具中装置 Zigbee模块,人们要开灯时,就不需要走到墙壁开关处,直接通过遥控便可开灯。当打开电视机时,灯光会自动减弱;当电话铃响起时或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。
(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,以便掌握工厂整体信息。例如火警的感测和报警、照明系统的感测、生产机台的流程控制等,都可由zgBe网络提供相关信息,以达到工业与环境控制的目的,基于 Zigbee技术的自动抄表系统,无需手动读取电表、天然气表及水表。
(3)智能交通领域：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,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。GPS也能提供类似服务,但是这种新的分布式系统能够提供更精确更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的地方,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、道路是单行线还是双行线、前面每条道路的交通情况或事故信息等。基于ZgBe技术的系统还可以开发出许多其他功能,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。
ZigBee技术可以用于汽车传感网络上,如已经发展很成熟的胎压监测系统。胎压监测系统由轮胎压力传感器、微控制单元、射频收发器和主机接收器组成。安装在轮胎里的传感器采集轮胎内部温度和压力信息,并将其转换为电信号,通过相应数据处理后,由射频收发器将信号帧发送给位于驾驶舱内的主机接收器，驾驶员即可了解各个轮胎内部的温度、压力情况。如轮胎内部的压力、温度发生超出相应阈值时,主机接收器就会通过相应报警装置提醒驾驶员采取相应的措施,使得胎压保持在正常的运行状态,从而保证车辆行驶的安全性,同其他无线技术相比, Zigbee技术耗能更少、成本更低、传输信号稳定可靠,非常适合用于胎压监测系统,而且由于 ZigBee设备的地址是全球唯一的,所以能使监控报警端快速识别出工作异常的轮胎,而不会在车辆与车辆之间造成信号干扰。
ZigBee技术可以用于智能网联汽车。根据智能网联汽车的需要与人们需求,可以在车内加入多种传感器,如酒精探测器、加速度传感器等,用来采集用户所需信息,再用基于 ZigBee协议的无线模块作为节点,进行数据的处理,并向后台及周围车辆进行数据传输。
