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ZigBee-物联网通信组网技术

什么是ZigBee?
ZigBee是唯一完整的物联网解决方案——从网状网络到允许智能对象协同工作的通用语言。ZigBee增加了用户和开发人员的选择和灵活性,并通过对堆栈的所有层进行标准化和测试,让人们相信产品和服务将协同工作。
ZigBee-物联网通信组网技术(图1)
ZigBee认证产品可以使用相同的物联网语言相互连接和通信,数以百万计的ZigBee产品已部署在智能家居和楼宇中。ZigBee在构建时考虑了向后和向前兼容性。
物联网技术主要包括无线传感技术和进程通信技术。进程通信技术包括RFID、Bluetooth.WiFi.ZigBee等。ZigBee是无线传感网络的热门技术之一。可以用在建筑物监测、货物跟踪、环境保护等方面。传感器网络要求节点成本低、易于维护、功耗低、能够自动组网、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面具有很大优势。
ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,它源于蜜蜂的八字舞,蜜蜂(bee)是通过飞翔和“嗡嗡"(zig)抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息,ZigBee协议的方式特点与其类似,便取名为ZigBee。
ZigBee技术采用AES加密(高级加密系统),严密程度相当于银行卡加密技术的12倍,因此其安全性较高,同时,ZigBee采用蜂巢结构组网,每个设备能通过多个方向与网关通信,从而保障了网络的稳定性,ZigBee设备还具有无线信号中继功能,可以接力传输通信信息把无线距离传到1000m以外。另外,ZigBee网络容量理论节点为65300个,能够满足家庭网络覆盖需求,即便是智能小区、智能楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖,ZigBee也具备双向通信的能力,不仅能发送命令到设备,同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。ZigBee采用极低功耗设计,可以全电池供电,理论上一节电池能使用2年以上。
ZigBee采用极低功耗设计
ZigBee采用DSSS技术,具有以下特点:
(1)功耗低。ZigBeeAlliance网站公布,和普通电池相比,ZigBee产品可使用数月至数年之久。这就决定了那些需要一年甚至更长时间才需更换电池的设备对它的需求。
(2)接入设备多。ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有255个激活节点,多个网络协调器可以连接大型网络。2.4GHz频段可容纳16个通道,每个网络协调器带有255个激活节点(Bluetooth只有8个),ZigBee技术允许在一个网络中包含4000多个节点。音视频通信更加不不了VoIP技术的支持。
(3)成本低。ZigBee只需要80C51之类的处理器以及少量的软件即可实现,无须主机平台。从天线到应用实现只需1块芯片即可。Bluetooth需依靠较强大的主处理器(如ARM7),芯片构架也比较复杂。
(4)传输速率低。ZigBee的低功率导致了低传输速率,其原始数据吞吐速率在2.4GHz(lOchannels)频段为250kb/s,在915MHz(6channels)频段为40kb/s,在868MHz(Ichannel)频段为20kb/so传输距离为10〜20m。
(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。
(6)高容量。ZigBee可采用星状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,一个主节点最多可管理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。
(8)免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段,即915MHz(美国)、868MHz(欧洲)、2.4GHz(全球)。由于三个频带除物理层不同外,其各自信道带宽也是不同的,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也是有区别的。扩频都使用的是直接序列扩频(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,而868MHz和915MHz频段采用的是BPSK,2.4GHz频段采用的是OQPSK。
ZigBee在智能家居中应用
ZigBee技术规格 

解决方案

描述

网络协议ZigBee PRO2015(或更新版本)
网络拓扑结构自我形成、自我修复的MESH
网络设备类型协调器(支持路由)、路由器、终端设备、ZigBee绿色电源设备
网络规模(理论节点数)高达65,000
无线电技术IEEE802.15.4-2011
频带/频道2.4GHz(ISM频段)
16通道(2MHz宽)
数据速率250KB/秒
安全模型集中式(支持安装代码)分布式
加密支持AES-128在网络层
AES-128在应用层可用
通讯范围(平均)高达300+米(视线)
室内高达75-100米
低功耗支持睡眠终端设备
ZigBee绿色电源设备(能量收集)
旧配置文件支持ZigBee3设备可以加入传统ZigBee配置文件网络。
旧设备可能会加入ZigBee3网络(基于网络的安全策略)
逻辑设备支持每个物理设备最多可支持240个端点(逻辑设备)