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ZigBee,也稱紫蜂,是一種低速短距離傳輸的無線網上協定,底層是採用IEEE 802.15.4標準規範的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。

基本介绍

  • 中文名:紫蜂協定
  • 外文名:ZigBee
  • 標準:IEEE802.15.4
  • 全球頻段:2.4GHz(全球使用)
  • 歐洲頻段:868MHz
  • 北美頻段:915MHz
起源,特性,性能,學習方法,組織聯盟,標準,套用及前景,前景,套用實例,

起源

ZigBee譯為"紫蜂",它與藍牙相類似。是一種新興的短距離無線通信技術,用於感測控制套用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作組中提出,並由其TG4工作組制定規範。
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2001年8月,ZigBee Alliance成立。
2004年,ZigBee V1.0誕生。它是Zigbee規範的第一個版本。由於推出倉促,存在一些錯誤。
2006年,推出ZigBee 2006,比較完善。
2007年底,ZigBee PRO推出。
2009年3月,Zigbee RF4CE推出,具備更強的靈活性遠程控制能力。
2009年開始,Zigbee採用了IETF的IPv6 6Lowpan標準作為新一代智慧型電網Smart Energy(SEP 2.0)的標準,致力於形成全球統一的易於與網際網路集成的網路,實現端到端的網路通信。隨著美國及全球智慧型電網的建設,Zigbee將逐漸被IPv6/6Lowpan標準所取代。
ZigBee的底層技術基於IEEE 802.15.4,即其物理層和媒體訪問控制層直接使用了IEEE 802.15.4的定義。
藍牙技術的使用過程中,人們發現藍牙技術儘管有許多優點,但仍存在許多缺陷。對工業,家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言,藍牙技術太複雜,功耗大,距離近,組網規模太小等。而工業自動化,對無線數據通信的需求越來越強烈,而且,對於工業現場,這種無線傳輸必須是高可靠的,並能抵抗工業現場的各種電磁干擾。因此,經過人們長期努力,ZigBee協定在2003年正式問世。另外,Zigbee使用了在它之前所研究過的面向家庭網路通信協定Home RF Lite。
長期以來,低價位、低速率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。藍牙的出現,曾讓工業控制、家用自動控制、玩具製造商等業者雀躍不已,但是藍牙的售價一直居高不下,嚴重影響了這些廠商的使用意願。如今,這些業者都參加了IEEE802.15.4小組,負責制定ZigBee的物理層和媒體介質訪問層。IEEE802.15.4規範是一種經濟、高效、低數據速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的無線技術,用於個人區域網和對等網路。它是ZigBee套用層和網路層協定的基礎。ZigBee是一種新興的近距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網路技術,它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用於近距離無線連線。它依據802.15.4標準,在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。這些感測器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個網路節點傳到另一個節點,所以它們的通信效率非常高。
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網際網路標準化組織IETF也看到了無線感測器網路(或者物聯網)的廣泛套用前景,也加入到相應的標準化制定中。以前許多標準化組織和研究者認為IP技術過於複雜,不適合低功耗、資源受限的無線感測器網路,因此都是採用非IP技術。在實際套用中,如ZigBee需要接入網際網路時需要複雜的套用層網關,也不能實現端到端的數據傳輸和控制。與此同時,與ZigBee類似的標準還有z-wave、ANT、Enocean等,相互之間不兼容,不利於產業化的發展。IETF和許多研究者發現了存在的這些問題,尤其是Cisco的工程師基於開源的uIP協定實現了輕量級的IPv6協定,證明了IPv6不僅可以運行在低功耗資源受限的設備上,而且,比ZigBee更加簡單,徹底改變了大家的偏見,之後基於IPv6的無線感測器網路技術得到了迅速發展。 IETF已經完成了核心的標準規範,包括IPv6數據報文和幀頭壓縮規範 6Lowpan、 面向低功耗、低速率、鏈路動態變化的無線網路路由協定 RPL、以及面向無線感測器網路套用的套用層標準CoAP,相關的標準規範已經發布。IETF組織成立了IPSO聯盟,推動該標準的套用,並發布了一系列白皮書。 IPv6/6Lowpan已經成為許多其它標準的核心,包括智慧型電網ZigBee SEP2.0、工業控制標準ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4(DASH) 等。IPv6/6Lowpan具有諸多優勢: 可以運行在多種介質上,如低功耗無線、電力線載波、WiFi和乙太網,有利於實現統一通信;IPv6可以實現端到端的通信,無需網關,降低成本;6Lowpan中採用RPL路由協定,路由器可以休眠,也可以採用電池供電,套用範圍廣,而ZigBee技術路由器不能休眠,套用領域受到限制。6Lowpan標準已經得到大量開源軟體實現,最著名的是Contiki、TinyOS系統,已經實現完整的協定棧,全部開源,完全免費,已經在許多產品中得到套用。IPv6/6Lowpan協定將隨著無線感測器網路以及物聯網的廣泛套用,很可能成為該領域的事實標準。

特性

①低功耗。在低耗電待機模式下,2節5號乾電池可支持1個節點工作6~24個月,甚至更長。這是ZigBee的突出優勢。相比較,藍牙能工作數周、WiFi可工作數小時。
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TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee節點。該節點採用Micropelt公司的熱電發電機給TI公司的ZigBee提供電源。
②低成本。通過大幅簡化協定(不到藍牙的1/10),降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至4KB代碼,而且ZigBee免協定專利費。每塊晶片的價格大約為2美元。
③低速率。ZigBee工作在20~250kbps的速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率,滿足低速率傳輸數據的套用需求。
④近距離。傳輸範圍一般介於10~100m之間,在增加發射功率後,亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。
⑤短時延。ZigBee的回響速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連線進入網路只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3~10s、WiFi 需要3 s。
⑥高容量。ZigBee可採用星狀、片狀和網狀網路結構,由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網路節點管理,最多可組成65000 個節點的大網。
⑦高安全。ZigBee提供了三級安全模式,包括安全設定、使用訪問控制清單(Access Control List, ACL) 防止非法獲取數據以及採用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
⑧免執照頻段。使用工業科學醫療(ISM)頻段,915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) , 。
由於此三個頻帶物理層並不相同,其各自信道頻寬也不同,分別為0.6MHz, 2MHz和5MHz。分別有1個, 10個和16個信道。
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這三個頻帶的擴頻調製方式亦有區別。擴頻都使用直接序列擴頻(DSSS),但從比特到碼片的變換差別較大。調製方式都用了調相技術,但868MHz和915MHz頻段採用的是BPSK,而2.4GHz頻段採用的是OQPSK。
在發射功率為0dBm的情況下,藍牙通常能有10米的作用範圍。而ZigBee在室內通常能達到30-50米的作用距離,在室外空曠地帶甚至可以達到400米(TI CC2530不加功率放大)。
所以ZigBee可歸為低速率的短距離無線通信技術。
簡單的說,ZigBee是一種高可靠的無線數傳網路,類似於CDMAGSM網路。ZigBee數傳模組類似於行動網路基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里,並且支持無限擴展。
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ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模組組成的一個無線數傳網路平台,在整個網路範圍內,每一個ZigBee網路數傳模組之間可以相互通信,每個網路節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。
移動通信CDMA網或GSM網不同的是,ZigBee網路主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立,因而,它必須具有簡單,使用方便,工作可靠,價格低的特點。而移動通信網主要是為語音通信而建立,每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上,而每個ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網路節點不僅本身可以作為監控對象,例如其所連線的感測器直接進行數據採集和監控,還可以自動中轉別的網路節點傳過來的數據資料。除此之外,每一個ZigBee網路節點(FFD)還可在自己信號覆蓋的範圍內,和多個不承擔網路信息中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連線。
組網通信方式
ZigBee技術所採用的自組織網是怎么回事?舉一個簡單的例子就可以說明這個問題,當一隊傘兵空降後,每人持有一個ZigBee網路模組終端,降落到地面後,只要他們彼此間在網路模組的通信範圍內,通過彼此自動尋找,很快就可以形成一個互聯互通的ZigBee網路。而且,由於人員的移動,彼此間的聯絡還會發生變化。因而,模組還可以通過重新尋找通信對象,確定彼此間的聯絡,對原有網路進行刷新。這就是自組織網。
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ZigBee技術為什麼要使用自組織網來通信?
網狀網通信實際上就是多通道通信,在實際工業現場,由於各種原因,往往並不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通,就像城市的街道一樣,可能因為車禍,道路維修等,使得某條道路的交通出現暫時中斷,此時由於我們有多個通道,車輛(相當於我們的控制數據)仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業現場控制而言則非常重要。
為什麼自組織網要採用動態路由的方式?
所謂動態路由是指網路中數據傳輸的路徑並不是預先設定的,而是傳輸數據前,通過對網路當時可利用的所有路徑進行搜尋,分析它們的位置關係以及遠近,然後選擇其中的一條路徑進行數據傳輸。在我們的網路管理軟體中,路徑的選擇使用的是“梯度法”,即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸,如傳不通,再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸,以此類推,直到數據送達目的地為止。在實際工業現場,預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化,或者因各種原因路徑被中斷了,或者過於繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構,就可以很好解決這個問題,從而保證數據的可靠傳輸。
ZigBee與GNU Radio
GNU Radio是免費的軟體開發工具套件。它提供信號運行和處理模組,用它可以在易製作的低成本的射頻(RF)硬體和通用微處理器上實現軟體定義無線電。這套套件廣泛用於業餘愛好者,學術機構和商業機構用來研究和構建無線通信系統。GNU Radio 的套用主要是用Python 程式語言來編寫的。但是其核心信號處理模組是C++在帶浮點運算的微處理器上構建的。因此,開發者能夠簡單快速的構建一個實時、高容量的無線通信系統。儘管其主要功用不是仿真器,GNU Radio 在沒有射頻RF 硬體部件的境況下支持對預先存儲和(信號發生器)生成的數據進行信號處理的算法的研究。
ZigBee網路主要特點是低功耗低成本、低速率、支持大量節點、支持多種網路拓撲、低複雜度、快速、可靠、安全。ZigBee網路中的設備可分為協調器(Coordinator)、匯聚節點(Router)、感測器節點(EndDevice)等三種角色。
與此同時,ZigBee作為一種短距離無線通信技術,由於其網路可以便捷的為用戶提供無線數據傳輸功能,因此在物聯網領域具有非常強的可套用性。

性能

1.數據速率比較低,在2.4GHz的頻段只有250Kb/S,而且這只是鏈路上的速率,除掉信道競爭應答和重傳等消耗,真正能被套用所利用的速率可能不足100Kb/s,並且餘下的速率可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個套用所瓜分,因此不適合做視頻之類事情。
適合的套用領域——感測和控制
2.在可靠性方面,ZigBee有很多方面進行保證。物理層採用了擴頻技術,能夠在一定程度上抵抗干擾,MAC套用層(APS部分)有應答重傳功能。MAC層的CSMA機制使節點傳送前先監聽信道,可以起到避開干擾的作用。當ZigBee網路受到外界干擾,無法正常工作時,整個網路可以動態的切換到另一個工作信道上。
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3.時延由於ZigBee採用隨機接入MAC層,且不支持時分復用的信道接入方式,因此不能很好的支持一些實時的業務。
4.能耗特性 能耗特性是ZigBee的一個技術優勢。通常ZigBee節點所承載的套用數據速率都比較低。在不需要通信時,節點可以進入很低功耗的休眠狀態,此時能耗可能只有正常工作狀態下的千分之一。由於一般情況下,休眠時間占總運行時間的大部分,有時正常工作的時間還不到百分之一,因此達到很高的節能效果。
5.組網和路由性——網路層特性
ZigBee大規模的組網能力——每個網路65000個節點,而每個藍牙網路只有8個節點。
因為ZigBee底層採用了直擴技術,如果採用非信標模式,網路可以擴展得很大,因為不需同步而且節點加入網路和重新加入網路的過程很快,一般可以做到1秒以內,甚至更快。藍牙通常需要3秒。在路由方面,ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由,所以可以布置範圍很廣的網路,並支持多播和廣播特性,能夠給豐富的套用帶來有力的支持。

學習方法

ZigBee作為一種個人網路的短程無線通信協定,已經日益為大家所熟知,它最大的特點就是低功耗、可組網,特別是帶有路由的可組網功能,理論上可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴展。相對藍牙,紅外的點對點通信,和WLAN的星狀通信,ZigBee的協定就要複雜得多了。那么我們究竟是該選擇ZigBee晶片去自己開發協定呢,還是直接選擇已經帶有了ZigBee協定的模組直接套用呢?
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玩轉晶片的代價:開發時間周期長;人力和技術儲備雄厚。
市場上的ZigBee射頻收發“晶片”實際上只是一個符合物理層標準的晶片,它只負責調製解調無線通訊信號,所以必須結合單片機才能完成對數據的接收傳送和協定的實現。而單晶片也只是把射頻部分和單片機部分集成在了一起,不需要額外的一個單片機,它的好處是節約成本,簡化設計電路,但這種單晶片也並沒有包含ZigBee協定在裡面。
這兩種情況都需要用戶根據單片機的結構和暫存器的設定並參照物理層部分的IEEE802.15.4協定和網路層部分的ZigBee協定自己去開發所有的軟體部分。這個工程量對於做實際套用的用戶來講是很大的,開發周期以及測試周期都是非常之長的,更由於是無線通訊產品,它的產品質量也不是很容易得到保障的。
即便許多ZigBee公司都提供自家晶片的ZigBee協定棧,但這只是提供一種協定的功能,而並不代表它具有真正的可套用性和可操作性,因為它並沒有提供一個對用戶的數據接口的詳細描述,用戶怎么才能不顧及晶片內部的程式而很簡單輕鬆的就把自己的數據通過晶片傳送出去,甚至組成路由獲取傳送更遠方產品的數據,這都不是只包括了ZigBee協定棧的晶片就能簡單實現的,ZigBee協定棧只是說它有了協定的所有組成部分,而究竟怎么把每部分結合併有條不紊的運轉起來,並怎么實現和用戶自己數據的協定通訊?一個只包含了ZigBee協定棧的晶片是不可能實現得了的。
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直白點講,這些需要用戶根據完整的協定代碼和自己上層的通訊協定,再去一點一點每個部分的去修改協定棧中的內容,才能完成簡單的數據無線收發,而要完成一條路由,甚至整個網路的通信,那調試測試的時間則會需要更長的。那么對於做實際套用的用戶來講將會大大耽誤開發周期,並且這種具有複雜協定的無線產品會具有更多的不定因素,更易受到外界環境條件的影響,在實際開發中遇到的問題將會五花八門,難於應付。
玩轉模組的代價:省去ZigBee開發周期,能在推廣項目上搶到先機。
優秀可靠的ZigBee套用“模組”具有在硬體上設計緊湊,體積小,貼片式焊盤設計,可以內置Chip或外置SMA天線,通訊距離從100米到2500米不等,還包含了ADC,DAC,比較器,多個IO,I2C等接口和用戶的產品相對接。軟體上包含了完整的ZigBee協定棧,並有自己的PC上的配置工具,採用串口和用戶產品進行通訊,並可以對模組進行發射功率,信道等網路拓撲參數的配置,使用起來簡單快捷。
透傳模組的好處在於用戶不需要考慮模組中程式如何運行的,用戶只需要將自己的數據通過串口傳送到模組里,然後模組會自動把數據用無線傳送出去,並按照預先配置好的網路結構,和網路中的目的地址節點進行收發通訊了,接收模組會進行數據校驗,如數據無誤即通過串口送出。不過大多數用戶套用ZigBee技術,都會有自己的數據處理方式,以致每個節點設備都會擁有自己的CPU以便對數據進行處理,所以仍可以把模組當成一種已經集成射頻、協定和程式的“晶片”。國內外各個ZigBee晶片廠商及模組廠商產品比對:
各廠商及晶片型號
Jennic
(JN5148)
TI (Chipcon)
(CC2530)
Freescal
(MC13192)
EMBER
(EM260)
ATMEL
(LINK-23X)
ATMEL
(Link-212)
工作頻率(Hz)
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
2.4~2.485G
779~928M
可用頻段數(個)
16
16
16
16
16
4
無線速率(Kbit/s)
250
250
250
250
250~2000
20~1000
發射功率(dBm)
+2.5
+4.5
+3.6
+3
+3
+10
接收靈敏度(dBm)
-97
-97
-92
-97
-101
-110
最大發射電流(mA)
15
35
35
37.5
21
30
最大接收電流(mA)
18
24
42
41.5
20
14
休眠電流(uA)
0.2
1
1
1
0.28
0.5
工作電壓範圍(V)
2.0~3.6
2.0~3.6
2.0~3.4
2.1~3.6
1.8~3.6
1.8~3.6
硬體自動CSMA-CA
硬體自動幀重發
硬體自動幀確認
硬體自動地址過渡
硬體FCS計算功能
硬體清除無線通道確認
硬體RSSI計算功能
硬體AES/DES
 有
硬體開放度
不開放
部分開放
部分開放
部分開放
全開放
全開放
ZigBee廠家
DIGI
順舟科技
廈門四信
上海雍敏
上海數傳
深圳鼎泰克
北京雲天創
型號
XBee模組
SZ05
SZ06
F8913
UMEW20
DT8836AA
DRF1601
ATZGB-780F1
工作頻率
(GHz)
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
2.4
779~936M
可用頻段數(個)
16
16
16
16
16
16
16
4
無線速率
(Kbps)
250
250
250
250
250
1000
250
250
發射功率
(dBm)
0
25
25
25
37.5
不詳
4
10
接收靈敏度(dBm)
-92
-108
-108
-110
-110
不詳
-96
-110
發射電流
(mA)
45
<70
<70
40
40
35
34
29
接收電流
(mA)
50
<55
<55
28
42
不詳
25
19
休眠電流
(uA)
<10
5
5
<0.4
<1
5
不詳
0.5
工作電壓
(V)
2.8~3.4
5
5-24
2.0~3.6
1.8~3.6
1.8~3.6
5~12
1.8~3.6
工作溫度
(℃)
-40~80
-40~85
-40~85
-45~80
-20~120
-40 ~80
-40~80
-40~80
無PA室內通信距離
(m)
30
200
200
100
100
不詳
100
100
無PA室外通信距離
(m)
100
2K
2K
500
350
100
400
700
(此對比表格都僅對於貼片式便於嵌入的模組並僅依據各廠商的產品手冊提供的性能參數進行對比,但是如上海數傳等廠商,本人在官網上並沒法找到詳細的產品手冊,也有部分廠商是模稜兩可的參數說明,如此表格有錯誤的地方,歡迎使用過的或者了解其模組的朋友可以對表格進行修改完善。)
國內做ZigBee模組的廠商並不多,本人也只是挑選了部分個人熟知的廠商進行了一個小對比,部分廠商的產品本人也並未入手進行過測試,所以室內室外的通信距離本人並不是很清楚。有些廠商會加外部功放,有些並沒有加,以至於通信距離上來說都是不同的,並且無線通信產品特別是ZigBee,環境對其的通信距離影響很大,各廠商的實測環境也各不相同(有些是置高,有些是功放較大),產品手冊上的通信距離最好只是作為一個衡量標準,僅供參考之用。
假如對這方面有興趣的朋友,或者正想使用ZigBee進行現場套用的朋友,詢問相關模組的時候最好將自己的需求進行一個較為清晰的定位,如距離、數據量、組網、套用場景等。因為ZigBee為近距離、低功耗、小數據量的技術,所以具體套用要求比較高,如在不考慮功耗的情況下,對於距離要求較高的套用,可以使用號稱點對點能夠傳10Km~20Km遠的XBEE模組;如溫濕度等數據採集,需要功耗較低,數據量不大,距離近的可以使用一些公司的低功耗模組(距離遠就犧牲了功耗),可以使用順舟科技等公司的模組。值得一提的是,由於ZigBee採用隨機接入MAC層,且不支持時分復用的信道接入方式,部分ZigBee模組一般會對數據進行校驗,返回ACK等操作(一般射頻晶片等硬體層會自帶,部分公司模組會在程式上也進行相應操作),網路節點數越多,整個網路所有節點採集的數據到伺服器的時間就越長,因此不能很好的支持一些實時性要求較高的業務。

組織聯盟

ZigBee聯盟是一個高速增長的非牟利業界組織,成員包括國際著名半導體生產商、技術提供者、代工生產商以及最終使用者。成員正制定一個基於IEEE802.15.4、可靠、高性價比、低功耗的網路套用規格。

標準

2012年4月,國際ZigBee聯盟推出了ZigBeeLightLink,便意味著設定了共同標準,可有效地解決上述問題。通過全球主要照明設備製造商的共同開發,ZLL不僅定義了一種先進的燈控套用信息傳遞協定,而且還納入一種簡單的配置機制,使消費者可以開箱即用,系統配置就像按一下按鈕一樣簡單。除了這些新特點外,ZigBeeLightLink具有所有ZigBee網路的固有技術優勢,實現了基於IEEE802.15.4的低功率、低成本、健壯、安全的無線網路。
與家居自動化(ZigBeeHomeAutomation)等其他ZigBee套用標準不同,ZigBeeLightLink是專門針對照明套用設計的。得益於這種最佳化設計,ZLL產品可輕鬆實現顏色設定、調光級數和亮度設定、存儲情景模式和自動燈控,從而實現最大程度的便利及最高能效。設計師可以針對不同的套用場合自主決定賦予產品哪些功能。系統功能可以像開/關燈一樣簡單,也可以如功能齊全的家居照明方案一樣複雜。無論做出什麼選擇,產品都具有互操作性。
這項新標準迅速得到了飛利浦、GE等各大國際照明廠商的推崇與支持,的國內照明企業也都在積極的推進ZLL協定在智慧型照明領域的落地。上海順舟科技率先推出了基於ZLL協定的ZigBee模組,為傳統的照明燈具廠商提供一攬子的智慧型照明解決方案。
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通過全球主要照明設備製造商的共同開發,ZLL不僅定義了一種先進的燈控套用信息傳遞協定,而且還納入一種簡單的配置機制,使消費者可以開箱即用,系統配置就像按一下按鈕一樣簡單。除了這些新特點外,ZigBeeLightLink具有所有ZigBee網路的固有技術優勢,實現了基於IEEE802.15.4的低功率、低成本、健壯、安全的無線網路。
ZigBeeLightLink的總體特點:
·家庭領域的低成本無線燈控解決方案
·安裝簡單直觀、無需額外工具和專業知識
·系統易於擴展,產品具有互操作性
·可靠、穩健的網路技術,且與其它ZigBee標準與設備兼容
·主要照明設備製造商構建全球生態系統,為終端用戶創造價值
·遍布全球的成熟產業鏈——低成本、高性能的SoC解決方案
·經認證的貨架軟體解決方案

套用及前景

前景

隨著國內經濟的高速發展,城市的規模在不斷擴大,尤其是各種交通工具的增長更迅速,從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出,而單靠擴大道路交通基礎設施來緩解矛盾的做法已難以為繼。在這種情況下,智慧型公交系統(AdvancedPublicTransportationSystems,APTS)也就應運而生,並且成為國內研究的熱點。在智慧型公交系統所涉及的各種技術中,無線通信技術尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術,更是得到了越來越廣泛的關注和套用。市場上也出現了大量與ZigBee相關的各種產品,根據中國物聯網校企聯盟的統計分析表明:ZigBee雖然廣受推崇,但是在數據中,推出ZigBee相關產品的中小型企業在2012年的發展並不可觀。
其中,比較有競爭力的ZigBee解決方案主要有下面幾種:
(1)Freescale:MC1319X平台;
(2)Chipcon:SoC解決方案CC2530;
(3)Ember:EM250ZigBee系統晶片及EM260網路處理器;
(4)Jennic的JN5121晶片;
經過市場調研,發現Freescale的MC1319X平台功耗低、價格低廉、硬體集成度高,方便二次開發,射頻通信系統的穩定性高。所以,在本文的設計中選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的以FreescaleMC1319x晶片組為核心的XBeeProRF模組。下面主要介紹XbeePro的特性、接口套用、操作模式以及在智慧型公交無線網路中的套用。
在站牌處通常會有多輛公車同時到達,一個站牌對應多輛公車,適合使用星狀網布線網路。但為了保證網路的可靠性,當公車站牌外的通道阻塞時,可以通過其它公車路由節點轉發到站牌,本設計採用網狀(Mesh)網模型。可將分布在公交線路上的電子站牌配置為協調器,而將到達的公車配置為路由器。
當站牌上ZigBee網路協調器選擇一個信道和PANID並啟動時,便建立了一個ZigBee個人局網(PAN)。一旦協調器已啟動PAN,便可允許路由器和終端設備結點加入PAN。路由器加入PAN時,將收到一個16位的網路地址,並且能夠傳送和接收來自PAN內其他設備的數據。PAN協調器的網路地址總是0。由於站牌上ZigBee模組的網路物理地址是唯一的,可以通過物理地址向站牌傳送信息。
(5)在3.3V電源下,傳送電流為215mA,接收電流為55mA:
(6)在網路性能方面,具有DSS(直接序列擴頻)功能,可以組成對等網、點對點及點對多點網路,具有12個軟體可選的直接序列信道,每個信道有65000個可用網路地址。
XBeePro模組體積小,功耗低,接口簡單,容易使用,非常適用於低數據速率的短距離通信套用,尤其是無線感測網路的設計套用。XBeePro模組還提供有免費X-CTU測試軟體以便能夠輕鬆測試和配置網路。該模組還可以通過下載該公司最新的固件(Firmware),使用戶在使用原有硬體模組的基礎上,獲得最新的功能,從而為設計提供了極大的靈活性。
2XBeePro模組的操作模式
XBeePro有空模式、接收模式、傳送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式,如圖3所示。每一種操作模式都有透明方式和應用程式接口(API)方式兩種操作方式。當工作在透明方式時,模組可起到替代串口線的作用,並以位元組為單位來處理各種信息;當工作在API方式下,所有進出模組的數據均被包含在定義模組的操作和事件的幀結構中。

套用實例

ZigBee模組:
F8913D ZigBee模組是一種物聯網無線數據終端,利用ZigBee網路為用戶提供無線數據傳輸功能。
該產品採用高性能的工業級ZigBee方案,提供SMT與DIP接口,可直接連線TTL接口設備,實現數據透明傳輸功能;低功耗設計,最低功耗小於1uA;提供5路I/O,可實現數字量輸入輸出、脈衝輸出;其中有3路I/O還可實現模擬量採集、脈衝計數等功能。
工業級套用設計
1.採用高性能工業級ZigBee晶片
2.低功耗設計,支持多級休眠和喚醒模式,最大限度降低功耗
3.電源輸入(DC 2.0~3.6V)
穩定可靠
1.WDT看門狗設計,保證系統穩定
2.提供UART串口。
3.天線接口防雷保護(可選)
標準易用
1.採用2.0的SMA與DIP接口,特別適合於不同用戶的套用需求。
2.提供TTL接口可直接連相同電壓的TTL串口設備
3.智慧型型數據模組,上電即可進入數據傳輸狀態
4.使用方便,靈活,多種工作模式選擇
5.方便的系統配置和維護接口
6.支持串口軟體升級和遠程維護
產品性能
通信接口:RS232/RS485/RJ45
電 源:9V/12V-3A DC電源
天線極化:垂直
數據速率:最高10M bit/s
外形尺寸:15.5cm*14cm*5.5cm
產品重量:1kg
外殼材料:金屬材質
產品顏色:銀灰色
安裝方式:螺絲安裝或者側掛

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