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智能锁使用最广泛的ZigBee协议:你了解它的前世今生和优缺点吗?

发布时间:2019-06-19 11:33 来源:未知 编辑:admin

  在智能硬件和物联网领域,时下大名鼎鼎的ZigBee可谓是无人不知,无人不晓。作为除了WiFi、蓝牙之外,ZigBee是目前最重要的无线通信协议之一,主要应用于物联网和智能硬件等领域。

  在智能硬件和物联网领域,时下大名鼎鼎的ZigBee可谓是无人不知,无人不晓。作为除了WiFi、蓝牙之外,ZigBee是目前最重要的无线通信协议之一,主要应用于物联网和智能硬件等领域。关于ZigBee,下文采用问答形式向你详细地介绍了方方面面,不夸口的说,你所需要知道的关于 ZigBee的一切,在这里基本可以了解到!

  在蓝牙技术的使用过程中,人们发现蓝牙技术尽管有许多优点,但仍存在许多缺陷。对工业,家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言,蓝牙技术显得太复杂,功耗大,距离近,组网规模太小等,而工业自动化,对无线数据通信的需求越来越强烈,而且,对于工业现场,这种无线数据传输必需是高可靠的,并能抵抗工业现 场的各种电磁干扰。

  因此,经过人们长期努力,ZigBee协议在2003年中正式问世了。另外,ZigBee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

  首先ZigBee的Mac层、PHY层是 IEEE802.15.4协议的。根据这个协议规定的技术是一种近距离、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 控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能。

  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 所在方位和远近信息的,也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”,因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种 无线信息传输技术。ZigBee技术有哪些特点?

  (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。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时;

  (2)低成本:通过大幅简化协议是成本很低(不足蓝牙的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的协议专利免费;

  (3)低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率,满足低速率传输数据的应用需求;

  (4)近距离:传输范围一般介于10~100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1-3km。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15ms,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;

  (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(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性;

  由于此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为0.6MHz, 2MHz和5MHz。分别有1个, 10个和16个信道。这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。扩频都使用直接序列扩频(DSSS),但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术,但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK,而2.4GHz频段采用的是OQPSK。

  在发射功率为0dBm的情况下,蓝牙通常能有10米的作用范围。而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离,在室外空旷地带甚至可以达到400米(TI CC2530不加功率放大)。

  所以,ZigBee可归为低速率的短距离无线、为什么说ZigBee是顺应工业自动化对可靠的无线数据传输日益增长的需求而产生的?

  ZigBee 技术本身,就是因为兰牙技术不能满足工业自动化中,对低数据量,低成本,低功耗,高可靠性的无线数据通信的需求而产生的。因为,对于工业现场,这种无线数 据传输必需是高可靠的,并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。ZigBee技术中,使用网状网拓扑结构,自动路由,动态组网,直序扩频的方式。就是为了满足工 业自动化控制现场的这种需要。

  IEEE802.15.4协议,这是一种低传送速率的无限PAN的协议。在标准化方面,IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。

  在我国和世界上大多数其他国家,一般使用无线电设备都是要付频率使用费的,包括手机通信,只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用,并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时,你首先要向国家相关部门申请频率使用许可,然后根据你的无线设备所使用的频率,功率大小和数量收取费用。

  ZigBee局域网络不仅可以通过提高每个节点模块的发射功率和接收灵敏度以及增加节点数量来扩展网络,而且还可以通过传统的互联网去监控路途遥远的ZigBee控制网络。但是,在进行扩张要注意的是:

  同样的频段,采用不同的通信方式则结果也许会有很大的差别,例如ASK,FSK,FHSS,DSSS等的抗干扰能力,通信安全保密性,可靠性都各不相同。 ZigBee系统和CDMA系统一样,都采用的是直序扩频技术(DSSS),它是一种抗干扰能力极强,保密性和可靠性都很高的通信方式。如果你使用过这两种技术的通信产品,你会发现两者在可靠性上不同凡响。

  CDMA 是继世界上推出数字通信技术之后,1995年又推出的一种新型数字蜂窝技术,它利用数字传输方法,采用扩频通信技术,大幅度地提高了频率利用率,具有容量 大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突出优点,将移动通信技术推向发展新阶段。CDMA(码分多址连接)蜂窝系统与FDMA(频分多址连接)和 TDMA(时分多址连接)系统相比,CDMA系统具有以下突出优点:

  (2) 抗多径衰落能力强多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题,通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服,还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用 多径信号提供路径分集,这样不但缓和瑞利衰落,而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落,从而大大提Qualcomm.html 高通信质量。

  (3)系统容量增大对于FDMA与TDMA,若小区的频点或时隙一 分配完,则小区就不能接收新的呼叫,容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统,在指定的干扰电平下,即使用户数已达到限定数目时,也还允许增加个别用 户,其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比 要求,而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍,CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍,是TACS的 11.2倍,是AMPS的13.6倍,是FM/FDMA方式的20倍。

  (4)通信质量好CDMA系统采用直接序列扩频技 术,综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应,可以获得很强的抗干扰能力,加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切 换技术,保证了CDMA的通信质量,特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比,波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音 和数据传输。

  (7) 高度可靠的保密安全性CDMA移动通信系统是一个保密通信系统,若再加一定的加密算法技术,能大大提高通信保密性能,这是FDMA、TDMA系统所无法比 拟的。分析其采用的扩频系统,要想截获别人的通信内容几乎是不可能的,如只要机内锂电池不放完电,它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态, 即使是连续工作,它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等,使通信的保密性更 为可靠。

  (8)手机功耗小CDMA采用功率控制后,仅在衰落期间调高发射功率电平,从而使平均发射功率减小,FDMA的 最小功率为5mW、平均发射功率为794 mW、峰值功率为3W,而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5 mW、 峰值功率为100mW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低,从而使系统容量增加,减少了小区数和降低设备成本。

  摩尔实验室(MORLAB)经过近段时间对ZigBee技术的研究及相关测试实践总结出如下几点,这也是ZigBee产品抗干扰能力强的主要原因。

  ZigBee抗干扰特性主要是抗同频干扰,即来自共用相同频段的其他技术的干扰。主要特性如下:

  1、 空闲信道评估(Clear Channel Assessment,CCA):判断信道是否空闲。IEEE 802.15.4 物理层在碰撞避免机制中提供CCA的能力,即如果信道被其他设备占用,则允许传输退出而不必考虑采用该信道的通信协议。

  2、 动态信道选择:ZigBee 个人区域网(PAN)中的协调器(网络的中心节点,负责网络的组织和维护)。首先要扫描所有的信道,然后确认并加入一个合适的PAN(不需要创建一个新的PAN),减少同频段PAN的数量,降低潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上,协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

  4、 直序扩频技术(DSSS) 和频率快变FA:直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果(如下图所示),在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术(发射功率为0dBm的情况下,Bluetooth有10m作用范围,而ZigBee在室内能达到3050m作用范围)。所谓频率快变是改变频率、以避开一个已知干扰源或信号源的影响。

  由上图可见,ZigBee的误码率在信噪比为4dB的情况下可达10-9 ,要达到同样误码率,Wi-Fi要达 10dB,蓝牙高达16dB, ZIGBEE的抗干扰性能明显高于Wi-Fi和蓝牙技术。

  简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络,ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里,并且支持无线扩展。

  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,十分类似现有的移动通信CDMA网或GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似 移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几公里。

  与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个 ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

  举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。他们预先无法判断谁雨,而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

  网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维 修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制 而言则非常重要。

  所谓动态路由是指网络中数据传输 的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。

  其特点为:(1) 无网络使用费:使用移动网需要长期支付网络使用费,而且是按节点终端的数量计算的,而ZigBee没有这笔费用;

  (3) 通信更可靠:由于现有移动网主要是为手机通信而设计的,尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信,但实践发现,不仅通信速率比设计速率低很多,而且 数据通信的可靠信、连续性在许多情况下也得不到保证。而ZigBee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证;

  (5) 比起现有的移动通信网来,尽管ZigBee仅仅只是一个局域网,但通过供足够的数据出口,它可以“无限”扩大它的覆盖范围,而且可以与现有的移动网,互联 网和其它通信网络相连接。并通过这些网络将许多个ZigBee局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题:我们知道,现有移动网络在许多 地方存在盲区,特别是铁路,公路,油田,矿山等野外,更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的,此时使用ZigBee网络进行盲区覆盖不 仅经济有效,而且往往是现在唯一可行手段。

  ZigBee网络还可以通过接口卡等多种方式,与互联网,GPRS网,CDMA1x网以及其它通信系统线连接,从而实现远程操控。你也可以通过其它网络,将两个或多个局部ZigBee网络连接在一起。

  ZigBee技术的目标就是针对,工业,家庭自动化,遥测遥控,例如灯光自动化控制,传感器的无线数据采集和监控,油田,电力,矿山和物流管理等应用领域。

  要求低功耗,低数据量(250KPS),低成本,使用免费的ISM频段(2.4G),高的抗干扰性能的直序扩频通信方式(DSSS),高保密性(64位出厂编号和支持AES-128加密),高集成度和高的可靠性;节点模块之间具有自动动态组网的功能,采用了包括网状网在内的拓扑结构,使用了碰撞避免机制,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性。

  ZigBee 应用:其范围非常广泛,可以针对工业自动化、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化和医疗护理、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。

  尽管国内不少人已经开始关注ZigBee这项新技术,而且也有不少企业开始涉足ZigBee技术的开发,然而,考虑到ZigBee本身是一种新的系统集成技术,应用软件的开发必须用网络传输,射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起,所以对于初期开发的企业来说具有一定的技术难度。由于各方面的制约,ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日。

  ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织,成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4,具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

  ZigBee 联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能,为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品,应用范围横跨全球的民 用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。

  其焦点为制定网络、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 标准的制定:IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层,标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词,而且IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议,因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

  完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的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,而几个协调器则可形成一个网络,对路由传输的数目则没有限制。 ZigBee联盟还开发了安全层,以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识,而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

  以“推动者”身份加入ZigBee联盟并成为联盟董事会成员的企业有十六家:

  极客公园一篇《为什么要装这么多 App 去控制我的「智能家电」?》的文章在智能家居圈子引起了很大的反响,直击了智能家居行业不同厂家的产品不能互联互通的行业痛点。文章中写到智能家居行业中如此多的APP给用户造成很大的困扰。用户如果需要使用不同厂商生产的智能设备,必须购买不同厂商的智能家居网关设备和使用不同厂家的APP去控制智能设备,这极大的降低了用户购买和使用智能家居产品的热情。那么造成智能家居不能实现互联互通的根本原因是什么呢?那还得从智能家居产业链说起。

  智能家居产业链分为协议(或称标准)提供商、IC芯片厂家(通常也是软件协议栈提供商)、解决方案商、智能家居产品商。我们主要从智能家居产业链的源头协议说起。

  智能家居的主流协议主要分为:Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave。Wi-Fi协议主要由于高功率、组网相对复杂、节点少等原因不能够大规模应用于智能家居的设备中,但由于Wi-Fi高传输率的特性非常适合应用于智能摄像头等智能家居产品。所以Wi-Fi协议在智能家居中角色主要是作为补充协议存在。

  Z-Wave协议由于低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信、互通性高在欧洲得到了比较广泛的应用,Z-Wave的网关是可以控制不同厂家基于Z-Wave协议的设备,但是由于Z-Wave在频段在908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)之间,这个区间的频段在中国属于工业频段,不能够民用,所以Z-Wave协议在国内计几乎没有应用。

  问题是这些应用层协议是独立不互通的。由于早期ZigBee版本由于标准化做的不好,给了厂商太多选择,很多厂商虽然采用了ZigBee HA的协议,但是终端的智能家居厂商根据自家的需求定制化了ZigBee HA,而非标准ZigBee协议,导致不同厂家产品还是不能互联互通。也有点类似于Android,不同手机厂商都是采用Android系统,但是都进行了大量的定制化,导致最后的手机系统也是千差万别。

  智能家居不能互联互通的根本原因是应用智能家居最广泛的ZigBee协议有很多应用层协议,不同的应用层协议彼此是独立不互通的;另外即使采用相同的应用层协议,也有可能由于应用协议标准化的问题导致设备不兼容。可以说,ZigBee之前仅仅解决了智能设备的连接问题,但是没有解决智能设备的互联互通的问题。

  2016年5月,ZigBee联盟联手ZigBee联盟中国组成员在上海亚洲消费电子展(CES Asia)举办新闻发布会暨剪彩仪式,正式向亚洲市场推出了ZigBee3.0。IC厂商TI、NXP、GreenPeak、Atmel,解决方案商Wulian物联传感、顺舟智能科技,智能家居厂商飞利浦、美的等主要智能家居上下游玩家均参加了新闻发布会。

  稍显遗憾的是,ZigBee3.0并没有统一ZigBee Smart Energy 应用层协议。ZigBee应用层协议用于读取电表的电量数据,比如应用了ZigBee Smart Energy的智能家庭可以知道每个家庭每月,每个星期、甚至每天的电量数据,物业管理公司和电力公司可以实时知道每个家庭的电量消耗以便收取电费。ZigBee联盟也推出了ZigBee3.0认证来规范各个厂商使用标准的ZigBee3.0协议,以保证基于ZigBee3.0设备的互通性。

  ZigBee3.0解决了智能家居领域应用最主流协议ZigBee不同应用层协议互联互通的问题,也进一步标准化了ZigBee协议,向智能家居的互联互通迈出了一大步,但是在和其他协议的互联互通还要继续努力。这就需要不同的协议(或称标准)提供商继续在底层协议合作和妥协,这个合作和妥协的过程可能会比较艰难。目前最好的解决方案可能就是智能家居厂商的网关设备支持多协议标准,做统一的UI交互。

  WLink万联平台是一个开放性的物联网智能家居平台,以WLink超级网关为核心,支持接入ZigBee协议、WiFi协议、以太网协议等多种协议的设备,提供终端硬件、通信模块、软件应用和云服务等多个个性化解决方案。在AWE2016上,在Wulian展厅内设立的WLink万联平台展区,就将会云集包括海尔、创维、海信、TCL、九阳、美的等在内的多家知名的家电厂商。

  于2017年初,海信全系列产品均已对接完成《海信智能家电介绍及使用教程》,而目前在WLink平台达成合作的企业产品有:海信全系列家电、美的中央空调、晾霸晾衣架、霍尼韦尔烟感、宁波向往背景音乐、狗尾草小白机器人、路可视门锁、费加罗燃气探测器等等,现还有更多的产品正在对接中,后续将会有更多企业及其产品达成深度合作。

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