ZigBee技术简介

①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6～24 个月,甚至更长。这是 ZigBee 的突出优势。
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,按预测分析,以 8051 的 8 位微控制器测算,全功能的主节点需要 32KB 代码,子功 能节点少至 4KB 代码,而且 ZigBee 免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。
OKI
ML7065 7x7QFN48 2.4GHz 802.15.4_2003 2.0 ~ 2.75V 56mA -20 ~ 0dBm 57mA -90dBm No 2uA 5MHz 10MHz 250kbps YES No YES SPI YES
Freescale
MC13202/3 5x5QFN32 2.4GHz 802.15.4_2003 2.0 ~ 3.4V 30mA -27~0dBm 37mA -92dBm No / No 1uA 5MHz 16MHz 250kbps No / No YES / YES YES / YES SPI / SPI No / No
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五、ZigBee 技术参数比较
Uniband Electronic Corp.
IEEE802.15.4 RFIC 比较表
公司
产品 封装 频率 IEEE 标准 电压 发射电流 输出功率 接受电流 灵敏度 信号强度指示 休眠电流 频道 时钟 速率 数据包 CSMA/CA 自动CRC AES 128 接口 射频开关
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ZigBee 技术简介
一、 ZigBee 名字的起源
ZigBee 是 IEEE 802.15.4 协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂 (bee) 是靠飞翔和 “ 嗡嗡 ”(zig) 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。其特点是近距离、低复杂 度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之， ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距 离无线组网通讯技术 .
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MAC 数据帧被送至物理层，作为物理层帧数据 (PPDU) 的一部分。
◆网络层
网络层包括逻辑链路控制子层。 802.2 标准定义了 LLC, 并且通用于诸如 802.3,802.11 及 802.15.1 等 802 系列标准中，而 MAC 子层与硬件联系较为紧密， 并随不同的物理层实现而变化。网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。这个标准的网络层被 期望能自己组织和维护。 IEEE 802.4 标准支持多种网络拓扑结构，包括星型和点 - 点拓扑结构。应用的设计选择决定了拓扑结构；一些应用，诸如 PC 外设，适 合低延时的星型连接，而对于别的，诸如涉及安全要求领域，适合大面积的点 - 点拓扑结构。
二、ZigBee 技术简要
ZigBee 是一种近距离、低复杂度、低功 耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各 种设备中，同时支持地理定位功能。 IEEE802.15.4 工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。 ZigBee 联盟在制定 ZigBee 标准时， 采用了 IEEE802.15.4 作为其物理层和媒体接入层规范。 在其基础之上， ZigBee 联盟制定了数据链路层 （ DLL ） 、 网络层 （ NWK ） 和应用编程接口（ API ）规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。它有如下特点 :
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ZigBee Stack Architecture
Applications Application Profiles Application Framework Network and Security Layers
MCU
868/915MHZ 物理层使用简单 DSSS 方法，每个 PPDU 数据传输位被最大长为 15 的 CHIP 序列 (m- 序列 ) 所扩展。即被多组 +1 ， -1 构成的 m- 序列编码，然 后使用二进制相移键控技术调制这个扩展的位元序列。不同的数据传输率适用于不同的场合。举例如下， 868/915MHz 物理层的低速率换取了较好的灵敏度 (-85dbm/2.4G,-92dbm/868,915MHz) 和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。 2.4G 物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延 时或低作业周期的场合。
⑥高容量。ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构,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。
⑦高安全。ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 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。
Atmel
AT86RF231 5x5QFN32 2.4GHz 802.15.4_2003 1.8 ~ 3.6V 14.3mA -20dBm ~ 0dBm 13.2mA -101dBm No 0.02uA 5MHz 16MHz 250kbps 128Bytes YES YES YES SPI YES
MAC Layer
IEEE 802.15.4
2.4GH
PHY Layer
868/915
Silicon
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ZigBee Stack
Application
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四、 ZigBee 联盟
ZigBee 联盟是一个高速增长的非牟利业界组织, 制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广 ZigBee 品牌并争取市场的关 注；管理技术的发展。ZigBee 联盟的主要目标是以透过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产片。ZigBee 技术能融入各类电子产品，应用范围横跨 全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产商终于可以利用 ZigBee 这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种产品。成员包括国际著名半导体生产 商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。成员正制定一个基于 IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。目前超过 200 家成员公司正积极进行 ZigBee 规格的制定工作。 当中包括 7 位推广委员， 半导体生产商、 无线技术供应商及代工生产商。 7 位推广委员分别为： Honeywell， Invensys， Mitsubishi， Motorola， Philips， Samsung。
⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和 868 MHz(欧洲) 。
三、IEEE 802.15.4 标准及其技术特点
IEEE802.15.4 工作组定义了一种廉价的供固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。它包括物理层、介质访问层、网络层和高 层。
UBEC
UZ2400 / UZ2400 Ver.D 6x6QFN48 / 6x6QFN48 (5x5QFN32) 2.4GHz 802.15.4_2003 / 2006 2.4 ~3.6V / 1.8V~3.6V 23mA / 17.3mA (3V/DC-DC) -30~0dBm / -30~0dBm(3dBm) 19mA / 15.8mA (3V/DC-DC) -95dBm / -95dBm YES / YES 2uA / 1uA 5MHz / 1MHz 20MHz / 32MHz 250~625kbps / 250k~2Mbps 2x128Bytes / 2x128Bytes YES / YES YES / YES YES / YES SPI+I2C / SPI+I2C YES / YES
Ti
CC2420 / CC2520 7x7QFN48 / 5x5QFN28 2.4GHz 802.15.4_2003 2.1 ~3.6V / 1.8V~3.8V 17.4mA / 25.8mA(33.6mA) -25~0dBm / -20~0dBm(5dBm) 19.7mA / 18.5mA -94dBm / -98dBm YES / YES 1uA / 1uA 1MHz / 1MHz 32MHz 250kbps 128Bytes / 2x128Bytes YES / YES YES / YES YES / YES SPI / SPI YES / YES
2.4GHz 物理层的较高速率主要归因于一个较好的调制方案：基于 DSSS 方法 (16 个状态 ) 的准正交调制技术。来自 PPDU 的二进制数据被依次 ( 按字节从低 到高 ) 组成 4 位二进制数据符号，每种数据符号 ( 对应 16 状态组中的一组 ) 被映射成 32 位伪噪音 CHIP ，以便传输。然后这个连续的伪噪音 CHIP 序列被调制 ( 采 用最小移位键控方式 MSK) 到载波上，即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控 (O_QPSK) 调制方式。
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③低速率。ZigBee 工作在 20～250 kbps 的较低速率,分别提供 250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和 20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输 数据的应用需求。
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◆物理层 IEEE 802.15.4 提供两种物理层的选择 (868/915 MHz 和 2.4GHz) ，物理层与 MAC 层的协作扩大了网络应用的范畴。这两种物理层都采用直接序列扩频 (DSSS) 技术，降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。 2.4G 物理层的数据传输率为 250kb/s,868/915MHz 物理 层的数据传输率分别是 20 kbps 、 40 kbps 。
灵活的 MAC 帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。 MAC 帧的通用格式如图 2 所示。
帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么。序列号是传输数据帧及确认帧的序号。仅当确认帧的序列号与上次数据传输帧的序列号一致时，才 能判定数据传输业务成功。帧校验序列是 16 位循环冗余校验。净荷 (payload) 是 MAC 帧要承载的上层数据。它的字段长度可变。
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◆介质访问层
IEEE 802.15.4 MAC 层的特征是：联合 ，分离，确认帧传递，通道访问机制， 帧确认，保证时隙管理，和信令管理。MAC 子层提供两个服务与高层联系， 即通过两个服务访问点 (SAP) 访问高层。通过 MAC 通用部分子层 SAP(MCPS-SAP) 访问 MAC 数据服务 , 用 MAC 层管理实体 SAP(MLME-SAP) 访问 MAC 管理服 务。这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。
④近距离。传输范围一般介于 10～100 m 之间,在增加 RF 发射功率后,亦可增加到 1～3 km。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, 传输距离将可以更远。
⑤短时延。ZigBee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需 15 ms ,节点连接进入网络只需 30ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要 3～10s、WiFi 需 要 3s。