彻底读懂物联网关键技术之--ZigBee.doc

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1、|一文彻底读懂物联网关键技术之-ZigBee!智能制造 IM 5 天前下 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 ！点 评 ： 这 篇 文 章 可 以 真 正 让 人 明 白 通 讯 协 议 的 含 义 。文 /电 子 发 烧 友在 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

2、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 ！Chapter1起源历史篇1ZigBee 起 源 什 么 技 术 ？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

3、 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

4、 所 研 究 过 的 面 向 家 庭网 络 的 通 信 协 议 Home RF Lite。2 什 么 是 ZigBee？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

5、 “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 。|3ZigBee 技 术 有 哪 些 特 点 ？ZigBee 的 特 点 主 要 有 以 下 几 个 方 面 ：（ 1） 低 功 耗 ： 在 低 耗 电 待 机 模 式 下 ， 2 节 5 号 干 电

6、 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

7、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

8、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

9、 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 ， 915MHz（ 美 国 ） ， 868MHz（ 欧洲 ） ， 2.4GHz（ 全 球 ） 。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、 ， 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

11、 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 通 信 技 术 。4 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

12、 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 。Chapter2通信技术篇1ZigBee 使 用 那 种 协 议 ？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 ，

13、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 。2 为 什 么 ZigBee 无 线 通 信 使 用 2.4G 频 段 是 免 费 频 段 ？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

14、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 。 这 是 一 笔 不 小 的 费 用 ， 一 般 设 备 一 年 往 往 要交 纳 几 千 元 的 费 用 。 而 免 费 频 段 ， 是 指 各 个 国 家 根 据 各 自 的 实 际 情 况 ， 并 考 虑 尽 可 能 与 世 界 其 他国 家

15、规 定 的 一 致 性 ， 而 划 分 出 来 的 一 个 频 段 ， 专 门 用 于 工 业 ， 医 疗 以 及 科 学 研 究 使 用（ ISM 频 段 ） ， 不 需 申 请 而 可 以 免 费 使 用 的 频 段 。 我 们 国 家 的 2.4G 频 段 ， 就 是 这 样 一 个 频段 。 然 而 ， 为 了 保 证 大 家 都 可 以 合 理 使 用 ， 国 家 对 该 频 段 内 的 无 线 收 发 设 备 ， 在 不 同 环 境 下 的 使用 功 率 做 了 相 应 的 限 制 。 例 如 在 城 市 环 境 下 ， 发 射 功 率 不 能 超 过 100mW。3ZigBee

16、仅 适 合 近 距 离 通 信 吗 ？|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 ：（ 1） 随 着 发 射 功 率 的 增 加 ， 耗 电 量 自 然 要 增 大 ， 只 要 求 耗 电 也 大 ， 便 会 失 去 ZigBee本 身 电 能 消 耗 很 低 的 优 势 ；（ 2） 尽

17、管 2.4Ghz 是 免 费 频 段 ， 但 是 不 能 超 过 电 波 法 中 对 于 最 大 功 率 的 限 制 。4ZigBee 采 用 直 序 扩 频 的 通 信 方 式 有 什 么 好 处 ？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

18、 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 。由 于 扩 频 技 术 在 正 常 通 信 时 所 要 求 的 信 噪 比 可 以 很 低 ， 也 就 是 说 ， 在 干 扰 很 强 的 环 境 下 ， 它仍 然 能 够 正 常 工 作 。 根 据 计 算 和 实 验 ， 这 相 当 于 接 收 灵 敏 度 提 高 了 7dBm。 它 也 不 容 易 干 扰别 人 。 换 句 话 说 ， 它 可 以 使 用 较 低 的 功

19、率 传 输 更 远 的 距 离 。 下 面 引 用 扩 频 技 术 优 越 性 有 关 的一 些 资 料 供 参 考 ：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

20、 ） 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 ：（ 1） 抗 干 扰 性 能 好 由 于 CDMA 经 过 扩 频 处 理 ， 故 抗 干 扰 性 能 好 ， 可 和 同 频 带 的 窄 带 共 存 ，而 不 影 响 其 正 常 工 作 。（ 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

21、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 target=_blank 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

22、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

23、 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

24、 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 。（ 5） 频 率 利 用 率 高 CDMA 系 统 的 同 一 频 率 ， 可 以 在 所 有 小 区 内 重 复 使 用 ， 其 频 率 复 用 率为 2/3（ FDMA 和 TDMA 的 频 率 复 用 率 为 1/7） ， 不 需 要 FDMA 和 TDMA 那 样 进 行 频 率 配置 ， 大 大 简 化 了 小 区 分 裂 和 微 蜂 窝 引 入 。（ 6） 多 址 能 力 强 CDMA 系

25、统 多 址 能 力 决 定 扩 频 编 码 间 的 多 址 干 扰 大 小 ， 它 与 使 用 的 扩 频编 码 方 案 有 关 ， 与 同 时 发 送 信 号 的 用 户 间 的 多 址 干 扰 （ 即 扩 频 编 码 的 相 关 特 性 ） 有 关 ， 与允 许 的 接 收 质 量 有 关 （ 输 出 信 噪 比 ） ， 因 此 同 时 工 作 用 户 间 的 多 址 干 扰 越 低 ， 能 允 许 的 接 收 质 量越 低 ， CDMA 技 术 的 多 址 能 力 就 越 强 。（ 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

26、 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

27、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

28、 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 。5ZigBee 与 现 有 数 传 电 台 的 比 较 有 哪 些 特 点 ？其 优 点 如 下 ：（ 1） 可 靠 性 高 ： 由 于 ZigBee 模 块 的 集 成 度 远 比 一 般 数 传 电 台 高 ， 分 离 元 器 件 少 ， 因 而可 靠 性 更 高 ；|（ 2） 使 用 方 便 安 全 ： 因 为 集 成 度 高 ， 比 起 一 般 数 传 电 台 来 ， ZigBee 收 法 模 块 体 积 可以 做 得 很 小 ， 而 且 功

29、耗 低 ， 最 大 发 射 电 流 比 一 个 CDMA 手 机 还 要 小 许 多 ， 因 而 很 容 易 集 成 或直 接 安 放 在 到 设 备 之 中 ， 不 仅 使 用 方 便 ， 而 且 在 户 外 携 带 使 用 时 不 容 易 受 到 损 坏 ；（ 3） 抗 干 扰 力 强 ， 保 密 性 好 ， 误 码 率 低 ： ZigBee 收 发 模 块 使 用 的 是 2.4G 直 序 扩 频技 术 ， 比 起 一 般 FSK， ASK 和 跳 频 的 数 传 电 台 来 ， 具 有 更 好 的 抗 干 扰 能 力 ， 和 更 远 的 传 输 距 离 ；（ 4） 免 费 频 段 ：

30、ZigBee 使 用 的 是 免 费 频 段 ， 而 许 多 数 传 电 台 所 使 用 的 频 段 不 仅 需 要 申 请 ，而 且 每 年 都 需 要 向 国 家 无 委 会 交 纳 相 当 的 频 率 使 用 费 ；（ 5） 价 格 低 ： ZigBee 数 传 模 块 的 价 格 只 有 具 有 类 似 功 能 的 数 传 电 台 的 几 分 之 一 。6 为 什 么 ZIGBEE 的 抗 干 扰 性 能 高 于 Wi-Fi 和 蓝 牙 技 术 ？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

31、 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

32、 采 用 该 信 道 的 通 信 协 议 。现 主 要 有 3 种 空 闲 信 道 评 估 模 式 ：（ 1） 判 断 信 道 的 信 号 能 量 ， 若 信 号 能 量 低 于 某 一 个 门 限 量 ， 则 认 为 信 道 空 闲 ；（ 2） 判 断 无 线 信 道 的 特 征 ， 这 特 征 主 要 包 括 两 方 面 ， 即 扩 频 信 号 和 载 波 频 率 ；（ 3） 综 合 前 两 种 模 式 ， 同 时 检 测 信 号 强 度 和 信 号 特 征 ， 给 出 信 道 空 闲 判 断 。2、 动 态 信 道 选 择 ：ZigBee 个 人 区 域 网 （ PAN） 中 的 协 调

33、 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 。3、 信 道 算 法 ：在 网 络 初 始 化 或 者 响 应 中 断 时 ， ZigBee 设 备 都 会 先 扫 描 一 系 列

34、 被 列 入 信 道 表 参 数 中 的 信道 ， 以 便 进 行 动 态 信 道 选 择 ， 按 照 上 述 空 闲 信 道 来 设 置 信 道 表 参 数 ， 以 便 加 强 网 络 的 共 存 性 能 。在 严 重 干 扰 期 间 ， ZigBee 不 改 变 信 道 ， 而 是 依 靠 其 低 占 空 比 、 免 冲 突 算 法 （ 每 个 设 备 在 发送 数 据 之 前 侦 听 信 道 ） 来 减 小 由 于 传 输 冲 突 所 造 成 的 数 据 丢 失 。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

35、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

36、 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 。5、 应 答 重 传 和 帧 缓 存 ：ZigBee 的 MAC 层 和 应 用 层 （ APS 部 分 ） 具 有 自 动 请 求 重 传 ARQ 和 帧 缓 存 功 能 。 当 传送 数 据 帧 给 设 备 时 ， 如 果 接 收 设 备 处 于 忙 或 者 休 眠 状 态 而 不 能 接 收 该 帧 ， 那 么 网 络 的 主 协 调 设 备就 暂 时 缓 存 该 帧 ， 直 到 接 收 端 接 收 该 帧 。虽 然 调 制 方 式 很 简 单 ， 但 Zi

37、gBee 在 2.4GHz ISM 频 段 表 现 出 了 很 好 的 抗 干 扰 性 能 ， 非 常适 合 于 低 功 耗 、 低 数 据 传 输 的 应 用 场 合 。 目 前 ZiBee 产 品 在 CE 认 证 中 主 要 采 用 的 测 试 标 准为 EN300328、 而 在 FCC 中 则 主 要 采 用 Part 15C 的 测 试 。Chapter3网络技术篇1ZigBee 是 具 有 怎 样 的 无 线 数 据 传 输 网 络 ？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

38、 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

39、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

40、 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 。每 个 ZigBee 网 络 节 点 （ FFD 和 RFD） 可 以 支 持

41、 多 达 31 个 的 传 感 器 和 受 控 设 备 ， 每 一 个传 感 器 和 受 控 设 备 终 可 以 有 8 种 不 同 的 接 口 方 式 。 可 以 采 集 和 传 输 数 字 量 和 模 拟 量 。2ZigBee 所 采 用 的 自 组 织 网 是 怎 么 回 事 ？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

42、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 。3ZigBee 技 术 为 什 么 要 使 用 自 组 织 网 来 通 信 ？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

43、 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 。4 为 什 么 自 组 织 网 要 采 用 动 态 路 由 的 方 式 ？所 谓 动 态 路 由 是 指 网 络 中 数

44、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 。|在 我 们 的 网 络 管 理 软 件 中 ， 路 径 的 选 择 使 用 的 是 “梯 度 法 ”， 即 先 选 择 路 径 最 近 的 一 条通 道 进 行 传 输 ， 如 传 不 通 ， 再 使 用 另 外 一 条 稍 远 一 点 的 通 路 进 行 传 输 ， 以 此 类 推 ， 直 到 数 据

45、 送 达目 的 地 为 止 。在 实 际 工 业 现 场 ， 预 先 确 定 的 传 输 路 径 随 时 都 可 能 发 生 变 化 ， 或 者 因 各 种 原 因 路 径 被 中 断 了 ，或 者 过 于 繁 忙 不 能 进 行 及 时 传 送 。 动 态 路 由 结 合 网 状 网 拓 扑 结 构 ， 就 可 以 很 好 解 决 这 个 问 题 ，从 而 保 证 数 据 的 可 靠 传 输 。智 能 家 居 行 业 交 流 Q 群 ： 807486031ZigBee 和 现 有 的 通 信 移 动 网 （ GPRS， CDMA-1X） 比 较 有 哪 些 特 点 ？其 特 点 为 ：（ 1

46、） 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 ；（ 2） 设 备 投 入 低 ： 使 用 移 动 网 需 要 购 买 移 动 终 端 设 备 ， 每 个 终 端 的 价 格 在 人 民 币1000 元 上 下 ， 而 使 用 ZigBee 网 络 ， 不 仅 ZigBee 网 络 节 点 模 块 （ 相 当 于 基 站 ） 费 用 每 只 人民 币 不 到 1000 元 ， 而 且 ， 主 要 使 用 的 网 络 子 节 点 （ 相 当 于

47、手 机 ） 的 价 格 还 要 低 得 多 ；（ 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 ；（ 4） 高 度 的

48、 灵 活 性 和 低 成 本 ： 首 先 ， 通 过 使 用 覆 盖 距 离 不 同 ， 功 能 不 同 的 ZigBee 网络 节 点 ， 以 及 其 它 非 ZigBee 系 统 的 低 成 本 的 无 线 收 发 模 块 ， 建 立 起 一 个 ZigBee 局 部 自 动化 控 制 网 ， 再 通 过 互 联 网 或 移 动 网 与 远 端 的 计 算 机 相 连 ， 从 而 实 现 低 成 本 ， 高 效 率 的 工 业 自 动 化遥 测 遥 控 ；（ 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

49、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 。6ZigBee 怎 样 实 现 远 距 离 遥 测 遥 控 ？|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