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            物聯網開發

            Zigbee無線通訊技術

            ????什么是ZigBee?ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術,主要適合于自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備中,同時支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠近信息的,也就是蜜蜂依靠著這樣的方式構成了群體中的通信“網絡”,因此ZigBee的發明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來形象地描述這種無線信息傳輸技術。


            ZigBee無線通信技術


            一、ZigBee技術的起源與發展


            ????在介紹ZigBee之前,要先提一下他的前輩——藍牙,在藍牙技術的使用過程中,人們發現藍牙技術盡管有許多優點,但仍存在許多缺陷。對工業,家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言,藍牙技術顯得太復雜,功耗大,距離近,組網規模太小等,而工業自動化,對無線數據通信的需求越來越強烈,而且,對于工業現場,這種無線數據傳輸必須是高可靠的,并能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此,經過人們的長期努力, Zigbee協議在2003年于美國正式問世了。


            二、ZigBee的技術原理



            ????ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺,十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網,每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站,在整個網絡范圍內,它們之間可以進行相互通信;每個網絡節點間的距離可以從標準的75米,到擴展后的幾百米,甚至幾公里;另外整個ZigBee網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。例如,你可以通過互聯網在北京監控云南某地的一個ZigBee控制網絡。


            三、ZigBee技術的特點



            ????ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。


            • 低功耗:在低耗電待機模式下,2節5號干電池可支持1個節點工作6-24個月,甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比之下藍牙可以工作數周、WiFi可以工作數小時;
            • 低成本:通過大幅簡化協議是成本很低(不足藍牙的1/10),降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且ZigBee的協議專利免費;
            • 低速率:ZigBee工作在250kbps的通訊速率,滿足低速率傳輸數據的應用需求;
            • 近距離:傳輸范圍一般介于10~100m之間,在增加RF發射功率后,亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠;
            • 短時延:ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3-10s、WiFi需要3s;
            • 高容量:ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理,最多可組成65000個節點的大網;
            • 高安全:ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性;
            • 免執照頻段:采用直接序列擴頻在工業科學醫療2.4GHz(全球)頻段。?

            四、ZigBee的技術應用



            ????作為一種低速率的短距離無線通信技術,ZigBee有其自身的特點,因此有為它量身定做的應用,盡管在某些應用方面可能和其他技術重疊。ZigBee可能的一些應用,包括智能家庭、工業控制、自動抄表、醫療監護和傳感器網絡應用。


            智能家居



            ZigBee技術可以把家里很多電器和電子設備,如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調、煙霧感應、報警器和攝像頭等設備都聯系起來,組成一個網絡,甚至可以通過網關連接到Internet,這樣用戶就可以在任何地方監控自己家里的情況,并且省卻了在家里布線的煩惱。


            工業控制


            工廠環境當中有大量的傳感器和控制器,可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網絡進行監控,加強作業管理,降低成本。


            自動抄表


            現在在大多數地方還是使用人工的方式來進行抄表,逐家逐戶的敲門,很不方便。而ZigBee可以用于這個領域,利用傳感器把表的讀數轉化為數字信號,通過ZigBee網絡把讀數直接發送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處,比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發送給用戶,或者和節能相結合,當發現能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。


            醫療監護


            電子醫療監護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器,如測量脈搏、血壓,監測健康狀況,還有在人體周圍環境放置一些監視器和報警器,如在病房環境,這樣可以隨時對人的身體狀況進行監測,一旦發生問題,可以及時做出反應,比如通知醫院的值班人員。這些傳感器、監視器和報警器,可以通過ZigBee技術組成一個監測的網絡,由于是無線技術,傳感器之間不需要有線連接,被監護的人也可以比較自由的行動,非常方便。


            傳感器網絡應用


            傳感器網絡也是最近的一個研究熱點,像貨物跟蹤、建筑物監測、環境保護等方面都有很好的應用前景。傳感器網絡要求節點低成本、低功耗,并且能夠自動組網、易于維護、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面的優勢使得它成為傳感器網絡應用的一個很好的技術選擇。

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