zigbee的发展及应用

什么是zigbee?

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

ZigBee译为" 紫蜂"，它与 蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(Sensor and Control)。由 IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。

zigbee的发展历程

2001年8月，ZigBee Alliance成立。

2004年，ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee规范的第一个版本。由于推出仓促，存在一些错误。

2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。

2007年底，ZigBee PRO推出。

2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具备更强的 灵活性和 远程控制能力。

2009年开始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy(SEP 2.0)的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的建设，Zigbee将逐渐被 IPv6/6Lowpan标准所取代。

zigbee性能的优缺点

ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，即其 物理层和媒体访问控制层直接使用了 IEEE 802.15.4的定义。

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，这种无线传输必须是高可靠的，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年正式问世。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。

许多开发商都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee 应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的 传感器之间相互协调实现通信。这些 传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过 无线电波将数据从一个 网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。以前许多标准化组织和研究者认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络，因此都是采用非IP技术。在实际应用中，如ZigBee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。与此同时，与ZigBee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比ZigBee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。 IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范 6Lowpan [1]   、 面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议 RPL [2]   、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP [3]   ，相关的标准规范已经发布 [4]   。IETF组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一系列白皮书 [5]   。 IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网ZigBee SEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有诸多优势： 可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而ZigBee技术路由器不能休眠，应用领域受到限制。 6Lowpan标准已经得到大量开源软件实现，最著名的是Contiki [6]   、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。

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。相比较，

蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发

电机给TI公司的ZigBee提供电源。

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。

③低速率。ZigBee工作在20～250kbps的速率，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。

④近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，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3 s。

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、使用访问控制清单(Access Control List, 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。

⑧免执照 频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2. 4GHz(全球) , 。

zigbee性能

1．数据速率比较低，在2.4GHz的频段只有250Kb/S，而且这只是 链路上的速率，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/s，并且余下的速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分，因此不适合做视频之类事情。

适合的应用领域——传感和控制

2.在可靠性方面，ZigBee有很多方面进行保证。物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰， MAC应用层(APS部分)有应答重传功能。MAC层的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

3．时延由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好的支持一些实时的业务。

4．能耗特性 能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低。在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一。由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到百分之一，因此达到很高的节能效果。

5．组网和路由性——网络层特性

ZigBee大规模的组网能力——每个网络65000个节点，而每个蓝牙网络只有8个节点。

因为ZigBee底层采用了直扩技术，如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需同步而且节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1秒以内，甚至更快。蓝牙通常需要3秒。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持多播和广播特性，能够给丰富的应用带来有力的支持。

zigbee学习方法

ZigBee作为一种个人网络的短程 无线通信 协议，已经日益为大家所熟知，它最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，理论上可以使ZigBee覆盖的通讯面积无限扩展。相对 蓝牙，红外的 点对点通信，和WLAN的星状通信，ZigBee的协议就要复杂得多了。那么我们究竟是该选择ZigBee芯片去自己开发协议呢，还是直接选择已经带有了ZigBee协议的模块直接应

用呢？

玩转芯片的代价：开发时间周期长；人力和技术储备雄厚。

市场上的ZigBee射频收发“ 芯片”实际上只是一个符合 物理层标准的芯片，它只负责 调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。而单芯片也只是把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路，但这种单芯片也并没有包含ZigBee 协议在里面。

这两种情况都需要用户根据 单片机的结构和寄存器的设置并参照 物理层部分的IEEE802.15.4 协议和网络层部分的ZigBee协议自己去开发所有的软件部分。这个工程量对于做实际应用的用户来讲是很大的，开发周期以及测试周期都是非常之长的，更由于是无线通讯产品，它的产品质量也不是很容易得到保障的。

即便许多ZigBee公司都提供自家芯片的ZigBee协议栈，但这只是提供一种协议的功能，而并不代表它具有真正的可应用性和可操作性，因为它并没有提供一个对用户的数据接口的详细描述，用户怎么才能不顾及芯片内部的程序而很简单轻松的就把自己的数据通过芯片发送出去，甚至组成路由获取传送更远方产品的数据，这都不是只包括了ZigBee协议栈的芯片就能简单实现的，ZigBee协议栈只是说它有了

协议的所有组成部分，而究竟怎么把每部分结合并有条不紊的运转起来，并怎么实现和用户自己数据的协议通讯？一个只包含了ZigBee协议栈的芯片是不可能实现得了的。

直白点讲，这些需要用户根据完整的协议代码和自己上层的通讯协议，再去一点一点每个部分的去修改协议栈中的内容，才能完成简单的数据无线收发，而要完成一条路由，甚至整个网络的通信，那调试测试的时间则会需要更长的。那么对于做实际应用的用户来讲将会大大耽误开发周期，并且这种具有复杂协议的无线产品会具有更多的不定因素，更易受到外界环境条件的影响，在实际开发中遇到的问题将会五花八门，难于应付。

玩转模块的代价：省去ZigBee开发周期，能在推广项目上抢到先机。

优秀可靠的ZigBee应用“模块”具有在硬件上设计紧凑，体积小，贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，通讯距离从100米到2500米不等，还包含了ADC，DAC， 比较器，多个IO，I2C等接口和用户的产品相对接。软件上包含了完整的ZigBee 协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和用户产品进行通讯，并可以对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。

透传模块的好处在于用户不需要考虑模块中程序如何运行的，用户只需要将自己的数据通过串口发送到模块里，然后模块会自动把数据用无线发送出去，并按照预先配置好的网络结构，和网络中的目的地址 节点进行收发通讯了， 接收模块会进行 数据校验，如数据无误即通过串口送出。不过大多数用户应用ZigBee技术，都会有自己的数据处理方式，以致每个 节点设备都会拥有自己的CPU以便对数据进行处理，所以仍可以把模块当成一种已经集成射频、 协议和程序的“ 芯片”。国内外各个ZigBee芯片厂商及模块厂商产品比对：