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智能家居知识

ZigBee详细的介绍

发布日期:2015-10-05

     ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命,即使传输速率不高,但针对感测与控制之应用,ZigBee有其很大的发展潜力。2004年全球ZigBee之出货量仍约为50万套,而至2008年,Zigbee的芯片出货量为3400万颗,预计到2012年,Zigbee芯片的出货量可达一亿六千万颗,随后庞大的无线传感器网络市场将全面发展。

    在无线个人网络领域,UWB具备高传输速率其定位为多媒体传输,Bluetooth拥有QoS可作为与语音与数据传输之用,ZigBee传输速率虽低,但适合应用在感测与控制用途,搭配低价与长寿之特性,成为众所瞩目之新兴技术,有关ZigBee之技术发展现况,以下分析之。
 
1. ZigBee技术分析 
 
    ZigBee这个字源自于蜜蜂群通过跳ZigZag形状的舞蹈,来通知其它蜜蜂有关花粉位置等信息,以达到彼此沟通讯息之目的,故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee先前亦被称为「HomeRF Lite」、「RF-EasyLink」或「FireFly」无线电技术,目前统一称为ZigBee 。
    ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术,其传输距离约为数十米,使用频段为免费的2.4GHz与900MHz频段,传输速率为20K至250Kbps,网络架构具备Master/Slave属性,并可达到双向通信功能。 
根据ZigBee之技术本质,ZigBee具有下列之特性:
 
    (1)省电:ZigBee传输速率低,使其传输资料量亦少,所以讯号的收发时间短,其次在非工作模式时,ZigBee处于睡眠模式,而在工作与睡眠模式之间的转换时间,一般睡眠激活时间只有15ms,而设备搜索时间为30ms。透过上述方式,使得ZigBee十分省电,透过电池则可支持ZigBee长达6个月到2年左右的使用时间。 
    (2)可靠度高:ZigBee之MAC层采用talk-when-ready之碰撞避免机制,此机制为当有资料传送需求时则立即传送,每个发送的资料封包都由接收方确认收到,并进行确认讯息回复,若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞,将再传一次,以此方式大幅提高系统信息传输之可靠度。 
    (3)高度扩充性:一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网络节点,其中一个是Master设备,其余则是Slave设备。若是透过Network Coordinator则整体网络最多可达到6500个ZigBee网络节点,再加上各个Network Coordinator可互相连接,整体ZigBee网络节点数目将十分可观。
 
2. ZigBee标准现况 
 
    在标准规范之制订方面,主要是IEEE 802.15.4小组与ZigBee Alliance两个组织,两者分别制订硬件与软件标准,两者之角色与分工就如同IEEE 802.11小组与Wi-Fi之关系。
    在IEEE 802.15.4方面,2000年12月IEEE成立了802.15.4小组,负责制订媒体存取控制层(MAC)与物理层(PHY)规范,在2003年5月通过802.15.4标准,802.15.4任务小组目前则在着手制订802.15.4b标准,此标准主要是加强802.15.4标准,包括有解决标准疑义之处、降低复杂度、提高弹性并思考新的频段分配等。
2007年10月发布了ZigBee 2007规范,ZigBee 2007规范定于了两套高级的功能指令集(feature set):分别是ZigBee功能命令集和ZigBee Pro功能命令集。(ZigBee 2004和2006都不兼容这两套新的命令集)。ZigBee 2007包含两个协议栈模板(profile),一个是ZigBee协议栈模板(Stack Profile 1),它是2006年发布的,目标是消费电子产品和灯光商业应用环境,设计简单,使用在少于300个节点的网络中。另一个是ZigBee Pro协议栈模板 (Stack Profile 2),它是在2007年发布,目标是商业和工业环境,支持大型网络,1000个以上网络节点,相应更好的安全性。 
    在物理层(Physical;PHY)方面,802.15.4之工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种,分别提供250Kbps、40Kbps和20Kbps的传输速率。由于ZigBee使用的是2.4GHz、915MHz和868MHz频段,这些频段因是免费开放使用,故已有多种无线通讯技术使用,因此ZigBee为避免被干扰,故在各个频段皆是采用直接序列展频(DSSS)技术,以化整为零方式,将一个讯号分为多个讯号,再经由编码方式传送讯号避免干扰。
    这三者不同之频段,在调频技术方面,虽都是采取相位调频技术,但仍有所差异,2.4GHz采用QPSK调变技术以达到250Kbps的速率,并降低工作周期,以减少功率消耗。而在915MHz和868MHz方面,则是用BPSK的调变技术。相较于2.4GHz频段,900MHz频段为低频的频段,故无线传播之损失较低,使其传输距离较长,其次此频段过去主要是室内无线电话使用之频段,不过现在因室内无线电话转移到2.4GHz,干扰反而较少。
    而在媒体存取控制(Media Access Control;MAC)层方面,主要是沿用WLAN中802.11系列标准的CSMA/CA方式,以提高系统兼容性,所谓的CSMA/CA是在传输之前,会先检查信道是否有数据传输,若信道无数据传输,则开始进行数据传输动作,若是产生碰撞,则稍后重新再传。 
    在网络层方面,ZigBee联盟制订ZigBee可具备支持Star、Cluster Tree与Mesh三种网络架构,在各个节点之角色方面,可分为全功能设备(Full-Function Device;FFD)与精简功能设备(Reduced-Function Device;RFD)。相较于FFD,RFD之电路较为简单且内存较小。FFD之节点具备控制器(Controller)之功能提供资料交换,而RFD则是只能传送资料给予FFD或是从FFD接受资料。
 
 
3. ZigBee芯片架构
 
    ZigBee的芯片架构,主要是有MAC处理封包,而PHY则是接收处理射频(RF)讯号。ZigBee之系统架构,因其传输速率低并只做简易数据处理,故在系统架构上,在Host端只需搭配简单的8位处理器,而ZigBee芯片模块方面,则内含RF、PHY与MAC做成一单芯片,未来ZigBee芯片则将会整合处理器。
而在内存方面,全功能设备(FFD)需要16_20Kbyte的ROM,而精简功能设备(RFD)则只需12_16Kbyte的ROM,不过若是网络主要节点,则因需处理节点设备信息、资料路径表、安全密钥等信息,需要更大之内存。在协议堆栈(Protocol Stack)方面,完整之协议堆栈需要32Kbyte内存,而简单协议堆栈则为4Kbyte。
 
4. ZigBee应用领域
 
    ZigBee应用领域主要有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗照护等,可搭配之应用产品则有家电产品、消费性电子、PC外围产品与传感器等,提供家电感测、无线PC周边控制、家电遥控等功能。
    在家庭自动化领域,涵盖项目有照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等,例如在灯泡中装置ZigBee模块,则人们要开灯,就不需要走到墙壁开关处,直接透过遥控便可开灯。通过ZigBee可以收集家庭各种信息,传送到中央控制设备,或是通过遥控达到远程控制之目的,提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化,以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。 
    在工业领域,透过ZigBee网络自动收集各种信息,并将信息回馈到系统进行数据处理与分析,以利工厂整体信息之掌握,例如火警的感测和通知,照明系统之感测,生产机台之流程控制等,都可通过ZigBee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制之目的。
    随着应用产品之扩大,将带动ZigBee产品出货之增加,在未来市场规模发展方面,2004年全球ZigBee之出货量仍不大约为50万套,而至2008年,Zigbee的芯片出货量为3400万颗,预计到2012年,Zigbee芯片的出货量可达一亿六千万颗,随后庞大的无线传感器网络市场将全面发展。 
 
5. 结论 
 
    全球数字家庭风潮方兴未艾,虽然家庭全面走向数字化仍有一段路需要走,但随着家电装置与多媒体娱乐资料都逐渐数字化,家庭应用也将整合数据、通讯与娱乐,随后将整合控制,使家庭更朝向自动化智能家庭发展。
    在无线个人网络领域技术分陈,前有Bluetooth1.1、Bluetooth1.2,后有UWB,各依据其技术特性,抢占各类应用产品山头。ZigBee凭借其架构简单价格低廉、低消耗功率延长使用寿命,即使传输速率不高,但针对感测与控制之应用,ZigBee有其很大的发展潜力。
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