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ZigBee基本概述及发展历程

2014-08-28 15:06
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ZigBee概述 

    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。这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,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信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。
 
中文名 紫蜂 全球频段 2.4GHz(全球使用)
外文名 ZigBee 欧洲频段 868MHz
标    准 IEEE802.15.4 北美频段 915MHz
   
    ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

    ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。
    与此同时,ZigBee作为一种短距离无线通信技术,由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能,因此在物联网领域具有非常强的可应用性。
 
    ZigBee发展历程

    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。
    2001年8月,ZigBee Alliance成立。
    2004年,ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee规范的一个版本。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。

    长期以来,低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙的出现,曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已,但是蓝牙的售价一直居高不下,严重影响了这些厂商的使用意愿。如今,这些业者都参加了IEEE802.15.4小组,负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。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,有效改变了大家的偏见,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、 面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议 RPL、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP,相关的标准规范已经发布。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。 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,最有名的是Contiki、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。