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Zigbee无线技术的全方位介绍

Zigbee是物联网协议,近几年,Zigbee得到了广泛运用。在上篇文章中,小编对Zigbee的协议栈结构以及Zigbee的技术特点有所介绍。为增进大家对Zigbee的了解程度,本文将对Zigbee无线技术进行全方位讲解。如果你对Zigbee具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

Zigbee是物联网协议,近几年,Zigbee得到了广泛运用。在上篇文章中,小编对Zigbee的协议栈结构以及Zigbee的技术特点有所介绍。为增进大家对Zigbee的了解程度,本文将对Zigbee无线技术进行全方位讲解。如果你对Zigbee具有兴趣,不妨继续往下阅读哦。

一、概述

ZigBee是一个基于IEEE802.15.4标准的低功耗物联网标准,它由Zigbee联盟来维护,可以使用在家庭自动化、医疗设备数据收集和其他低功耗低带宽的应用场景。和蓝牙和Wifi相比,它的特点是低功耗,近距离且是自组织的网络。它的最高速率是250kbit/s,具有128位的对称加密算法的保护,具有较高的安全性。ZigBee本身支持星型网络和树形网络和网状网络。

二、历史

第一个ZigBee标准IEEE802.15.4-2003在2004年12月被批准,在2005年6月zigbee规范v1.0宣布可用,我们称为zigbee2004.2006年zigbee2006规范可用,替代了2004使用的协议栈,在2007年推出了ZigbeePRO。2009年推出ZigbeeRF4CE简化了协议,适应一对一和一对多网络,主要为家电的控制。2017年推出了ZigbeePRO2017。

三、使用场景

zigbee被设计为低功耗,低速率的应用场景,主要使用在家庭自动化,无线传感器网络,工业控制系统,嵌入式传感器、医疗数据收集、烟雾及闯入者警告、楼宇自动化、远程无线麦克风配置等场合。它不适合在高速率和高速移动的场合。

四、传输特性

zigbee使用免费的频率,包括2.4-2.4835G,902-928MHz(美洲和澳大利亚),868-868.6MHz(欧洲),它在在2.4G下速率最高,有16个频道,5M带宽但只使用了2M,速度达到250kbit/s,在915M和868M下面能达到40kbit/s和20kbit/s,这都是理论最大速率,由于包开销和处理延迟,实际数据吞吐量将小于指定的最大比特率。在射频功率为20dbm(100mw)情况下,2.4G频率的传输距离室内大约是10-20米左右,室外最大可达到300米。

五、设备类型和操作模式

zigbee有三种设备类型

ZC:Zigbee协调器,功能最强的设备,协调器构成网络树的根,可以连接到其他网络。每个网络中只有一个Zigbee协调器,因为它是最初启动网络的设备。它存储有关网络的信息,包括充当安全密钥的信任中心和存储库

ZR:Zigbee路由器,除了运行应用程序功能外,路由器还可以充当中间路由器,传递来自其他设备的数据。

ZED:Zigbee终端设备,只包含与父节点(协调器或路由器)通信的足够功能;它不能从其他设备中继数据。这种关系允许节点在相当长的时间内处于休眠状态,从而延长电池寿命。ZED需要最少的内存,因此,它的制造成本比ZR或ZC要低。

当前的zigbee网络里有两种模式,带信标(beacon)的和不带信标的(non-beacon),在信标不启用的网络中,使用不带时隙的CSMA/CA信道访问机制。在这种类型的网络中,Zigbee的路由器和接收端不能休眠,导致耗电量大。

在启用信标的网络中,Zigbee路由器节点发送周期性信标,zigbee的接收节点将定时的唤醒。节点在两个信标之间时间内睡眠,从而降低其占空比并延长其电池寿命。信标间隔取决于数据速率,它们在250kbit/s时可以从15.36毫秒到251.65824秒,在40kbit/s时从24毫秒到393.216秒,在20kbit/s时从48毫秒到786.432秒。

ZigBee的协议层

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上图是的ZigBee协议层示意图,IEEE802.15.4定义了物理层和mac层。

2003版本规定了基于直接序列扩频(DSSS)技术的两个物理层:一个工作在868/915MHz频段,传输速率为20和40kbit/s,一个工作在2450MHz频段速率为250kbit/s。

介质访问控制(MAC)使MAC的发送通过使用物理信道的帧。除了数据服务,它还提供管理界面,并自身管理对物理信道和网络信标的访问。它还控制帧验证,保证时隙并处理节点关联。最后,它提供了安全服务的回调函数。

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网络模型

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上图是一个zigbee的三种拓扑网络,红色为ZigBee协调器,蓝色为ZigBee路由器,黄色为ZigBee末端节点。

ZigBee的一个重要特点就是可以自组织网络和跳转传输数据。在mesh网络下面,任何一个节点故障都不会影响通信,节点会自动的寻找合适的路径进行通信。如下图所示。

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