ZigBee 的技术特点和性能

ZigBee技术被认为是最有可能像WiFi、蓝牙一样改变我们现在生活的通信技术之一.ZigBee是让一些设备特别是传感器接入互联网的技术。

在家庭自动化控制和工业遥测遥控领域，对无线数据通信的需求越来越强烈,且这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗现场的各种电磁干扰。

Zigbee的特点就在于功耗更低，实时在线、同一个网关接入数量巨大并且可以自组网, 在物联网的发展中具有广阔的应用空间。

Zigbee技术

Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。

它是基于IEEE802.15.4协议发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee 的技术特点和性能

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（欧洲流行)和915 MHz（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,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点:

1. 低功耗

   由于ZigBee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ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

2. 成本低

   ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

3. 低复杂性

   zigbee协议的大小一般在4-32KB，而蓝牙和wi-fi一般都超过100KB。

4. 时延短:

   通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

5. 网络容量大

   一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 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。 并且在一个网络中最多可以有65000个节点连接。

6. 网络建立

   zigbee能够自动建立其所想要的网络。

7. 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。MAC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。

8. 安全

   ZigBee提供了基于循环沉余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

Zigbee的技术性能

1、ZigBee频带和数据传输率

ZigBee 无线可使用的频段有3 个，分别是2.4GHz 的 ISM 频段、欧洲的868MHz 频段、以及美国的 915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是16 、 1 、 10 个；

ZigBee 在中国采用2.4G 的 ISM 频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G 的频段上具有 16 个信道，带宽为250K。

2、短程无线网络标准

ZigBee 和 802.15.4 标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；ZigBee 无线技术适合组建WPAN 网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。它的应用定位就是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。

3、无线网络标准的比较

ZigBee 无线的传输带宽在20-250KB/s 范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输，可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535 个，具有非常强大的组网优势；特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。

4、Zigbee物理信道

ZigBee 在 2.4G 的频段上具有 16 个信道，从 2.405GHz — 2.480GHz 间分布，信道间隔 是 5M，具有很强的信道抗串扰能力。

5、Zigbee协议栈

ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点，增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于了产品的互连互通；ZigBee 继续与 IEEE 紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案。

6、ZigBee网络拓扑结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH 网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。

MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。

7、ZigBee网络设备类型

7.1网络协调器：

包括所有的网络消息，是 3 种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算机能力强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、 寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

7.2全功能设备（FFD）：

• 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的 FFD 或是RFD连结，FFD 具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
• 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征
• 更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。
• 也可能做终端设备

7.3精简功能设备（RFD）：

• RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接收信息。
• 附带有限的功能来控制成本和复杂性
• 在网络中通常用作终端设备。
• ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。
• RFD 由于省掉了内存和其他电路，降 低了ZigBee部件成本，而简单的 8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

8、Zigbee抗干扰能力

ZigBee在物理层采用高处理增益的直序/频率快变 DS/FA 技术（Direct Sequence / Frequency Agility），ZigBee的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强。具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；

实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码率，特别是在信噪比为4dB 的情况下可达到10 -9 ；达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达 16dB，WLAN的802.11b 要达 10dB，Zigbee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN 技术。

9、ZigBee可靠链路

9.1物理层RF 通信链路

• 直序扩频采用高处理增益
• 明晰的信道检测
• 对干扰能量进行检测
• 采用跳频技术 Freqency agility

9.2协议

• 基于 CRC 的误码检测/校正
• 采取了避免冲突的策略 CSMA/CA
• 为固定带宽的通信业务预留了专业的有保证的时隙
• 发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发
• 保持数据包的及时传输 Packet data freshness

9.3通信可靠机制

ZigBee采用了 CSMA-CA 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专 用时隙，避免了发送数据使得竞争和冲突；明晰的信道检测；

MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接受方的确认信息。

9.4网络的自组织、自愈能力强

ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；

ZigBee自愈功能：增加或删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干 预，保证整个系统仍然能正常工作。

ZigBee技术 RF 物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。ZigBee技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。