揭秘ZigBee及其应用

无线网络正变得越来越普遍，并使用各种专门为无线电频率系统设计的协议来实现。一些正在使用的协议是各个供应商专有的，而另一些是行业标准。

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最近，人们对802.15.4和ZigBee给予了很多关注，但关于它们的不同之处以及什么样的网络或系统将从这些特定协议中受益，仍然存在一些不确定性。

什么是IEEE 802.15.4?

IEEE 802.15.4是由电气与电子工程师协会(IEEE)制定的无线通信标准。一些无线IEEE标准的例子包括定义无线局域网(LANs)通信的802.11标准和用于城域网宽带无线通信的802.16标准。

在2.4 GHz时，通信发生在16个5 MHz信道中的一个，范围从2.405 GHz到2.480 GHz。

该标准是专门为点对点或点对多点配置中的通信而设计的，睡眠和安全性也是标准的组成部分。典型的应用程序涉及一个中央协调器，它通常充当数据收集器，多个远程节点连接回这个中央主机。802.11和802.16标准都关注更高带宽的互联网接入应用，而802.15.4标准则考虑到较低的数据速率、简单的连接和电池供电的应用。802.15.4标准规定了通信可以在868.0 ~ 868.8 MHz、902 ~ 928 MHz或2.400 ~ 2.4835 GHz工业科学和医疗(ISM)频段进行。868 MHz和902 MHz频段在规范下提供的带宽最少，每个通道分别有20 kHz和40 kHz可用。虽然这些频段中的任何一个在技术上都可以被802.15.4设备使用，但2.4 GHz频段似乎是最受欢迎的，因为它允许高达250千赫的数据速率，而且世界上大多数国家都允许这个频率用于数据通信。868 MHz频段主要用于欧洲，而902-928 MHz频段只能在美国、加拿大和少数接受FCC规定的其他国家和地区使用。

该标准要求在902-928 MHz频段使用直接序列扩频(DSSS)编码和半正弦脉冲整形的偏置正交相移键控(O-QPSK)调制。

典型的IEEE 802.15.4应用程序涉及一个中央协调器，它通常充当数据收集器，多个远程节点连接回这个中央主机。

在2.4 GHz，通信发生在16个5 MHz信道中的一个，范围从2.405 GHz到2.480 GHz，最大无线数据速率为250kbps，每个802.15.4个人区域网络(PAN)的地址空间为65,535个节点。

从16个信道中选择一个信道有助于避免与同一区域的其他2.4 GHz网络的干扰。协议开销将理论上的最大吞吐率限制在接近125 kHz的速度，在指定的5 MHz占用带宽下，仅消耗约2 MHz的通道。

如果特定网络中的通信不够频繁，单个PAN没有理由不能支持所有65,535个节点。在许多情况下，发送的数据量和系统所需数据的频率最终限制了可以支持的节点数量低于最大限度。

从本质上讲，802.15.4定义了非常适合低数据速率、低功耗应用的PHY和MAC层。

什么是ZigBee?

ZigBee是一种协议，它使用IEEE 802.15.4标准作为基线，并添加了一个额外的网络层来提供系统路由和网络功能。由于ZigBee协议使用802.15.4标准定义物理层和MAC层，因此频率、信号带宽和调制技术是相同的。

ZigBee协议由ZigBee联盟开发，允许公司合作开发可用于各种商业和工业低数据速率应用的网状网络协议。在两点之间的距离可能超出位于这些点上的两个无线电的范围的应用程序中，网状网络是有用的，但中间无线电可以在它们之间转发任何消息。

当数据从点A传输到点B的距离过大，一次跳不动时，可以通过点C传输消息到达目的地。

ZigBee协议是这样设计的，如果在一个给定的区域部署了许多不同的无线电，这些无线电将自动形成一个网络，而无需用户干预。无线电中的ZigBee协议将负责重试、确认和数据消息路由。

ZigBee还具有自愈网络的能力。例如，如果节点C(节点A和B之间的中间)上的无线电由于某种原因被移除，则将使用一条新路径将消息从A路由到B。

网状网络的真正优势在于，它们通过在部署大量节点的区域提供多条冗余路径来提高数据可靠性。但是，它们并不是为每个应用程序设计的。路径形成和设备关联需要时间。由于必须通过网络转发消息，会出现额外的系统延迟。250千赫的无线带宽很快就会被开销耗尽，这使得视频、音频和其他高带宽应用对于网状网络来说是糟糕的选择。

ZigBee设备既可以用作终端设备，也可以用作路由器或协调器。路由器也可以用作终端设备，但主要的区别是终端设备允许“休眠”(用于实现ZigBee的模块和芯片组的休眠电流低至几微安，因此电池寿命可以延长到几年以上)。

因为ZigBee是为低功耗应用设计的，所以它很适合使用小型低功耗微控制器的系统，以及可靠性、电池寿命和多功能性很重要但高带宽不重要的应用。

一些例子包括家庭自动化、工业监控和控制网络;压力、温度、湿度和湿度传感器;工商业抄表;家用健身机、水质含氧量监测。

ZigBee设备较低的数据速率允许更好的灵敏度和范围，使IEEE 802.15.4和ZigBee成为2.4 GHz的远程技术之一。对比图说明了IEEE 802.15.4和其他流行无线技术之间的相似之处。

做决定

带宽、电池需求、代码空间、频率和范围都是公司在设计无线版本产品时应该考虑的因素。

如果应用程序严格要求以点对点或点对多点的方式进行通信，802.15.4可以处理所有通信，并且比使用ZigBee固件的模块或芯片组更容易实现。如果您需要在系统中使用重复的网状网络功能，或者需要增加网状网络的健壮性，那么ZigBee是必要的。

在任何情况下，这些协议都可能在需要电池操作的任何应用程序中有用。

	ZigBee和802.15.4	GSM / GPRS CDMA	802.11	蓝牙
关注应用程序	监测与控制	广域语音和数据	高速互联网	设备连接
电池寿命	年	1周	1周	周
带宽	250 kbps	最高128k	11 mbps	720 kbps
典型范围(米)	100 +	几公里	50 - 100	10－100
优势	低功耗，低成本	现有的基础设施	速度,无处不在	方便

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作者信息

John Schwartz是Digi International的技术战略家。如需更多信息，请访问

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