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【原创】新兴的短距离传输技术-zigbee技术【已搜索无重复】
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新兴的短距离传输技术-zigbee技术，欢迎正在做这方面的同学来探讨 Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4（Zigbee）技术标准。 Zigbee不仅只是802.15.4的名字。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。 Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee 联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。 到目前为止，除了Invensys、 三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有150家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发Zigbee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。 超越蓝牙的简单实用 1999年，蓝牙热潮席卷全球，然而发展数年，一直受芯片价格高、厂商支持力度不够、传输距离限制及抗干扰能力差等问题的困扰。低功耗、低成本的无线网络要求令Zigbee应运而生，大幅简化蓝牙的复杂规格，专注于低传输应用。不过相关规格已与现有的蓝牙脱钩。于是有媒体甚至预言：Zigbee和UWB （Ultra-WideBand超宽频道）切入市场可能使蓝牙尚未普及即成历史。这种论调显然言过其实，因为Zigbee不支持语音，但Zigbee的低价格、低功耗和可靠支持成为其闪亮登场的亮点，使得它超越蓝牙的简单实用成为事实。 Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分： * 数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用； * 功耗低： 在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势； * 成本低：因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee 协议免收专利费。 * 网络容量大： 每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接； * 时延短：通常时延都在15毫秒至30毫秒之间； * 安全： Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性； * 有效范围小： 有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境； * 工作频段灵活： 使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。 随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多。最终，他们可能会微缩到尘埃大小。届时，数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。 广阔应用，一切无线 Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据（如鼠标）。 根据Zigbee联盟目前的设想，Zigbee的目标市场主要有PC外设（鼠标、键盘、游戏操控杆）、消费类电子设备（TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置）、家庭内智能控制（照明、煤气计量控制及报警等）、玩具（电子宠物）、医护（监视器和传感器）、工控（监视器、传感器和自动控制设备）等非常广阔的领域。 政府的计划给了Zigbee更多的空间，显示了对其无比的信心。据报道，美国能源部已经决定雇佣Honeywell International Inc.公司，希望通过使用Zigbee传感器能够在钢铁、铝以及其他六个行业中将这些能源的成本降低15％。通过安装在Alcoa，Dow Chemical，以及ExxonMobil等公司管道系统中传感器，实时追踪监测产品生产过程中的气体使用情况。 Honeywell公司的自动控制部门的副总裁、技术总监Dan Sheflin表示：“能够实时获取这些数据是一件非常重要的事情。”利用这种无线技术及时采取措施来减少泄漏或者消除浪费，每年可节约的能量超过华盛顿州去年一年所使用的天然气产生的能量总和。 至此，Zigbee的应用前景已经远远超过了本文初始的有限描述。Zigbee联盟中的先行者英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦半导体公司以及三星、Millennial Net和Ember公司的总裁面对2007年35亿美元的预计营业收入恐怕已经难忍笑意。 更重要的是，预测未来6到7年内，家庭用户将占有Zigbee2/3的市场。在可以预期的将来，Zigbee无线传感将切实改变你我的生活。 Zigbee协议套件 完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准。 应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体而言包括： * 安全与鉴权； * 多个业务数据流的会聚； * 设备发现； * 业务发现。 网络层将主要考虑采用基于ad hoc技术的网络协议，应包含以下功能： * 通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全； * 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电； * 有自组织、自维护功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。 IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）和MAC（Media Access Control，媒介接入控制）两个子层。LLC子层在IEEE802.6标准中定义，为802标准系列共用；而MAC子层协议则依赖于各自的物理层。IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer，业务相关的会聚子层）协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4 的MAC层的服务。 LLC子层的主要功能包括： * 传输可靠性保障和控制； * 数据包的分段与重组； * 数据包的顺序传输。 IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能： * 设备间无线链路的建立、维护和结束； * 确认模式的帧传送与接收； * 信道接入控制； * 帧校验； * 预留时隙管理； * 广播信息管理。 IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于Zigbee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。 相对于常见的无线通信标准，Zigbee协议套件紧凑而简单，其具体实现的要求很低，以下是Zigbee协议套件的需求估计： * 8位处理器，如80c51； * 全协议套件软件需要32kbytes的ROM； * 最小协议套件软件大约4kbytes的ROM； * 网络主节点需要更多的RAM，以容纳网络内所有节点的设备信息、数据包转发表、设备关联表、与安全有关的密钥存储等。 Zigbee 的应用实例 Zigbee 技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。 通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用 Zigbee 技术做无线传输： １.设备成本很低，传输的数据量很小； ２. 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； ３. 没有充足的电力支持，只能使用一次性电池； ４. 频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难； ５. 需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制。 Zigbee 联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 在工业领域，利用传感器和 Zigbee 网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长电池的寿命，减少 Zigbee 网络的维护成本。 在汽车上，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。在精确农业，或者叫精确耕种的应用中，无线电传播特性良好，但是需要成千上万的传感器构成比较复杂的控制网络。传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和 Zigbee 网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、 pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由 Zigbee 网络传送到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。 医学领域，将借助于各种传感器和 Zigbee 网络，准确而且实时地监测每个病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 消费和家用自动化市场是 Zigbee 技术最有潜力的市场。据估测，每个家庭需要 100 到 150 个 Zigbee 设备。可以联网的家用设备包括电视、录像机、 PC 外设、儿童玩具、游戏机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。家用设备引入 Zigbee 技术后，将大大改善人们居住环境和舒适度，特别适合于儿童、老年人和残疾人士使用。同时基于 Zigbee 技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用，从而在一定程度上降低这些设备的生产和使用成本。 根据业务流的特征， Zigbee 的应用可以划分成边疆性业务、周期性业务和间断性业各三种。连续性业务定义为要求低时延数据传输的业务，键盘、鼠标和游戏杆属于这种类型。周期性业务是在固定的时间间隔传输数据的低速率业务，传感器、流速计和警报系统是周期性业务的代表。而间歇性业务则以不规则的时间间隔传输数据，室内照明设施的开关和家用电器遥控器属于这种类型。 Zigbee 技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。 随着正式版本协议的即将公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式 Zigbee 功能的设备进入我们的生活，并将极大地改善我们的生活方式和体验。 Zigbee 技术 新兴的无线个人局域网络技术正逐渐朝商品化的阶段迈进，在IEEE 802.15的标准中，除了纳入蓝芽（IEEE 802.15.1）之外，同时也发展高速传输的UltraWideBand（IEEE 802.15.3a）与低耗电的ZigBee（IEEE 802.15.4），究竟这两种新的WPAN技术有何特色？其对无线个人局域网络市场的影响为何？本文将为您作进一步的分析。 便宜又省电的低速WPAN标准–Zigbee Zigbee就如同PURLnet、RF-Lite、Firefly、HomeRF Lite等过去的短距离无线通讯技术一样，强调低成本、低耗电、双向传输、感应网络功能等特色，只不过Zigbee是朝着开放标准的方向发展。Zigbee一开始是由Honywell所发起，目前主要的成员包括Invensys、Mistubishi Electric、Motorola、Philips Semiconductor、Samsung等公司为推广厂商，以及数十家的IC设计制造与系统厂商。除此之外，IEEE也将Zigbee收纳为IEEE 802.15.4的标准，与Zigbee Alliance共同为此一WPAN标准催生。 规格与标准制定 ZigBee的接取方式是采直序展频（Direct Sequence Spread Spectrum）技术，可使用的频段有三个，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、10、1个 ZigBee运作频段示意图 ZigBee的传输速率介于20kbps–250kbps之间，并随着传输距离的延长而减慢，例如发射功率在1mW的ZigBee产品在10公尺的距离内可达250kbps的传输速率，但若是将传输距离拉长至20公尺，则速度只剩30kbps。不过借着提高发射功率，还是可以在100公尺的传输距离内，达到每秒250kbps的传输速率。此外，由于ZigBee具备高链接数与低耗电的特性，在感应式网络（Sensor Network）上的使用，就具有相当大的优势，例如在工厂内的作业温度量测、水电瓦斯计度的记录、保全防护的监控上，厂商就不需经常更换电池或布建供电网络，且只需极少的人力与设备，即可取得所需的信息。 ZigBee Alliance基本规格 频段：全球的2.4GHz ISM频段、欧洲的868MHz频段，以及美国的915MHz频段 链接数：支持主从式或点对点方式运作，同时最多可255个装置链接（Master×1，client nodes×254） 接取方式：直列展频技术DSSS 网络架构：星形 传输速率：20kbps～250kbps 传输距离：10公尺（依耗电量之不同，可提升至100公尺） 可使用频道数：在2.4GHz的ISM频段，可使用的信道数为16个；在915MHz的ISM频段，可使用的信道数为10个；在欧洲的868MHz频段，可使用的信道数为1个 而在标准制定的分工上，则由ZigBee Alliance与IEEE 802.15.4的任务小组来共同担任标准的制定。其中实体层、MAC层、数据链结层，以及传输过程中的资料加密机制等发展由IEEE所主导，并共同针对ZigBee Protocol Stack的发展进行研议，而未来还能依系统客户的需求，来修正其所需的应用接口。 Zigbee的应用与市场发展 Zigbee的出发点是希望能发展一种易布建的低成本无线网络，而其低耗电性可使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网络为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场扩展至家庭中的应用。根据Zigbee Alliance的观点，一般家庭可将Zigbee应用于空调系统的温度控制器、灯光、窗帘的自动控制、老年人与行动不便者的紧急呼叫器、电视与音响的万用遥控器、无线键盘、鼠标、摇杆、烟雾侦测器、智能型卷标，以及玩具等产品。 目前在ZigBee标准制定发展上，IEEE已于去年通过有关实体层与媒体储存控制层的标准草案，因此早在2003年底，即有芯片设计厂商发表适用于868MHz频段的ZigBee芯片，预估在2004年底，可达到商品化的目标。而投入ZigBee技术研发的厂商，对于市场的发展都抱持相当乐观的看法。根据Adcon Telemetry AG观点，预估全球低速通讯应用市场，将在2005年达到5.7亿台的规模，届时不论ZigBee能取得多大的市场占有率，这都代表其可发展的空间的确具有相当大的潜力。 [ Last edited by luan_hui on 2007-10-18 at 14:41 ] |
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