ZigBee 底子入门

ZigBee的相关使用及长处阐发

一、引言    
  持久以来,低价、低传输率、短距离、低功率的无线通信市场不断具有着。自从Bluetooth出现当前,曾让工业节制、家用主动节制、玩具制造商等业者雀跃不已,可是Bluetooth的售价不断居高不下,严峻影响了这些厂商的使企图愿。此刻,这些业者都插手了IEEE802.15.4小组,担任制定ZigBee的物理层和媒体介入节制层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速度(250 kbps)、工作在2.4 GHz和868/915 MHz的无线技术,用于小我区域网和对等网状收集。它是ZigBee使用层和收集层和谈的底子。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速度、低成本的无线收集技术,它是一种介于无线标识表记标帜技术和蓝牙之间的技术提案。次要用于近距离无线连接。它根据802.15.4尺度,在数千个藐小的传感器之间相互协调完成通信。这些传感器只需要很少的能量,以接力的编制经由无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率很是高。 

   
  
  一般而言,跟着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在添加。相对于现有的各类无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的低数据速度和通信范畴较小的特点,也决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的停业。所以ZigBee联盟预测的次要使用范畴包罗工业节制、消费性电子设备、汽车主动化、农业主动化和医用设备节制等。 

二、IEEE 802.15.4和ZigBee引见  
 
 
  IEEE无线小我区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术尺度是ZigBee技术的底子。802.15.4尺度旨在为低能耗的简单设备供给无效笼盖范畴在10米摆布的低速连接,可遍及用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与贸易使用范畴。传感器收集是其次要市场对象。

    
  2.1 802.15.4和谈架构及其技术特点  

  
  IEEE802.15.4满足国际尺度机关(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式。它定义了单一的MAC层和多样的物理层。IEEE802.15.4的MAC层能支撑多种LLC尺度,经由SSCS(Service-Specific Convergence Sublayer,停业相关的会聚子层)和谈承载IEEE802.2类型一的LLC尺度,同时答应其他LLC尺度直策使用IEEE802.15.4 的MAC层办事。

  IEEE802.15.4定义了两个物理层尺度,别离是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,间接序列扩频),使用不异的物理层数据包格局,区别在于工作频次、调制技术、扩频码片长度和传输速度。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层经由采用高阶调制技术能够大概供给250kb/s的传输速度,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而愈加省电。868MHz是欧洲的ISM频段,915MHz是美国的ISM频段,这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各类无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速度为20kb/s,916MHz是40kb/s。这两个频段上无线信号传布损耗较小因而能够降低对领受机活络度的要求获得较远的无效通信距离从而能够用较少的设备笼盖给定的区域。   

  2.2 ZigBee技术概述
 
 
  
  ZigBee是一组基于IEEE核准经由的802.15.4无线尺度研制斥地的,相关组网、平安和使用软件方面的技术尺度。它不只只是802.15.4的名字。IEEE仅处置初级MAC层和物理层和谈,ZigBee联盟对其收集层和谈和API进行了尺度化。完全和谈用于一次可间接连接到一个设备的根底节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点,而几个协调器则可构成一个收集,对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟又一次斥地了平安层,以包管这类便携设备不会不测泄露其标识,并且这类把持收集的远距离传输不会被其它节点获得。

    
  完整的Zigbee和谈套件由高层使用规范、使用会聚层、收集层、数据链路层和物理层构成。收集层以上和谈由ZigBee联盟制定,IEEE802.15.4担任物理层和链路层尺度。 

   
  使用会聚层将次要担任把不合的使用映照到ZigBee收集上,具体而言包罗:    
  (1)平安与鉴权;    
  (2)多个停业数据流的会聚;    
  
  (3)设备发觉;    
  (4)停业发觉。    
  
    收集层将次要考虑采用基于ad hoc技术的收集和谈,应包含以下功能:    
  (1)通用的收集层功能:拓扑布局的搭建和维护,定名和联系干系停业,包含了寻址、路由和平安;    
  (2)同IEEE802.15.4尺度一样,很是省电;    
  (3)有自机关、自维护功能,以最大程度削减消费者的开支和维护成本。  
  相对于常见的无线通信尺度,Zigbee和谈套件紧凑而简单,其具体完成的要求很低,以下是Zigbee和谈套件的需求估量:    
  (1)8位处置器,如80c51;    
  (2)和谈套件软件需要32kbytes的ROM;    
  (3)最小和谈套件软件大约4kbytes的ROM;    
  (4)收集主节点需要更多的RAM,以容纳收集内所有节点的设备消息、数据包转颁发、设备联系干系表、与平安相关的密钥存储等。

    
  2.3 整个和谈构架 
 
  
  在尺度制定的分工上,由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组共同制定,此中实体层、MAC层、材料链结层,以及传输过程中的材料加密机制等成长由IEEE所主导,并共同针对ZigBee Protocol Stack的成长进行研讨,而将来又一次能依系统客户的需求,为不合使用批改其所需之使用介面。

 
  2.4 IPV6 Over 802.15.4 
 
   
  ZigBee联盟但愿建立一种可连接每个电子设备的无线网。它预言ZigBee将很快成为全球高端的无线技术,到2007年将达到30亿节点。具有几十亿个节点的收集将很快耗尽已压缩的IPv4的地址空间,可是ZigBee的路由选择不依赖于IPv6。IPv6采用128位地址长度,几乎能够不受限制地供给地址。按保守方式估算,IPv6现实可为整个地球的每平方米面积分派1000多个地址。IPv6在设想过程中,除了一劳永逸地处理了地址欠缺问题以外,又一次考虑了在IPv4中处理不好的其他问题,如端到端IP连接、办事质量(QoS)、平安性、多播、挪动性、即插即用等。因而,将IPV6和802.15.4的连系将是当前研究成长的标的目的今朝IETF也在踊跃的制定V6over15.4的Draft,其尺度也不久将出台。  

三、ZigBee技术的劣势及使用  

  
  3.1 ZigBee技术的次要劣势及其与蓝牙和Wi-Fi的比力 

  
 
     IEEE 802.15.4和ZigBee从一起头就被设想用来建立包罗恒温安装,平安安装和煤气读数表等设备的无线收集。这是由其次要技术劣势决定的:    
  1.数据传输速度低:只需10k字节/秒到250k字节/秒,专注于低传输使用。    
  2.功耗低:在低耗电待机模式下,两节通俗5号干电池可使用6个月到2年,免去了充电或者屡次改换电池的麻烦。这也是ZigBee的支撑者所不断引认为豪的奇异劣势。    
  3.成本低:ZigBee数据传输速度低,和谈简单,所以大大降低了成本。且免收专利费。    
  4.收集容量大:每个ZigBee收集最多可支撑255个设备。    
  5.时延短:凡是时延都在15毫秒至30毫秒之间。    
  6.平安:ZigBee供给了数据完整性反省和鉴权功能,采用AES-128加密算法。    
  7.无效范畴小:无效笼盖范畴10~75米之间,具体根据现实发射功率的大小和各类不合的使用模式而定,根底上能够大概笼盖通俗的家庭或办公室环境。    
  8.工作频段矫捷:使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。    
  

    与之相反,蓝牙技术根底上只是设想作为有线的替代品,常常是为手机和附近的耳机或PDA联网用的。它能够在不充电的环境下工作几周,但无法工作几个月,更不消说几年了;一般环境下,蓝牙设备需要人手拔擢和维护收集连接;它能够用来无效地处置8个设备(一个主设备和7个从设备),若是更多的话,通信速度则显著下降。而802.11 也被称作Wi-Fi也有类似的问题。虽然它是将笔记本和桌面电脑接入有线收集的很好的处理方案,但它的功耗却很是高。 

   
  3.2 可能使用及市场成长   

  ZigBee的起点是但愿能成长一种易布建的低成本无线收集,同时其低耗电性将使产物的电池能维持6个月到数年的时间。在产物成长的初期,将以工业或企业市场的感应式网路为主,供给感应辨识、灯光与平安节制等功能,再逐步将今朝市场拓展至家庭中的使用。凡是合适以下前提之一的使用,就能够考虑采用ZigBee技术:    
  1.设备成本很低,传输的数据量很小;    
  2.设备体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;    
  3.没有充沛的电力支撑,只能使用一次性电池;    
  4.屡次地改换电池或者几次地充电无法做到或者很坚苦;    
  5.需要较大范畴的通信笼盖,收集中的设备很是多,但仅仅用于监测或节制。 

   
  按照ZigBee Alliance的概念,一般家庭可将ZigBee使用于以下安装:    
  1.空调系统的温度节制器 灯光、窗帘的主动节制;    
  2.老年人与步履不便者的垂危呼叫器;    
  3.电视与声响的万用遥控器 无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具;    
  4.烟雾侦测器;    
  5.聪慧型标签。    

  四、小结  

  
  本文阐述了ZigBee技术及IEEE802.15.4尺度及其相关使用,会商了它们的干系和相对其它技术的长处,并对其在家庭无线通信网中的使用前景进行了阐发和展望。ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速度无线通信市场的空白,其成功的环节在于丰盛而便利的使用,而不是技术本身。跟着正式版本和谈的发布,更多的留意力和研发力量将转到使用的设想和完成、互联互通测试和市场推广等方面。咱们有出处相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入咱们的糊口生计,并将极大地改善咱们的糊口生计编制和体验。
 
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