ZigBee基础知识

1：基本概念

（1）物联网（Internet of Thing, IOT）：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把任何物体与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

（2）传感器（Sensor）：负责收集来自真实世界的信息。能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

（3）无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）：一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器。WSN中的传感器通过无线方式通信。

（4）射频识别：RFID（Radio Frequency Identification）：又称无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。

       RFID主要分为低频（125KHz）、高频（13.56MHz）和超高频（433MHz）等。其中低频（125KHz）主要通过电感耦合的方式进行工作， 也就是在读写器线圈和感应器线圈间存在着变压器耦合作用。现在一般用的比较少（酒店或者门禁），特点如下：

1. 一般工作频率从120KHz到134KHz。该频段的波长大约为2500m。
2. 除了金属材料，一般能够穿过任意材料的物品而不降低读取距离。
3. 工作在低频的读写器在全球没有任何特殊的许可限制。
4. 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。
5. 传输速率比较慢，容量仅64bit/8字节（仅容纳一个卡号）。
6. 感应器的价格相对与其他频段来说要贵。

       高频（13.56MHz）的感应器不再需要线圈进行绕制，可以通过腐蚀或者印刷的方式制作天线。感应器一般通过负载调制的方式进行工作，也就是通过感应器上的负载电阻的接通和断开促使读写器天线上的电压发生变化，实现用远距离感应器对天线电压进行振幅调制。通过数据控制负载电压的接通和断开，实现从感应器传输到读写器。在13.56MHz频段中主要有ISO14443和ISO15693两个标准来组成，ISO14443俗称Mifare 1系列产品，识别距离近但价格低保密性好；ISO15693的最大优点在于识别效率，通过较大功率的阅读器可将识别距离扩展至1.5米以上。特性如下：

（a） 工作频率为13.56MHz，该频率的波长大概为22m。

（b） 除了金属材料外，该频率的波长可以穿过大多数的材料，但会降低读取距离。

（c） 该频段在全球都得到认可并没有特殊的限制。

（d） 感应器一般以电子标签的形式。

（e） 虽然该频率的磁场区域下降很快，但是能够产生相对均匀的读写区域。

（f）该系统具有防冲撞特性，可以同时读取多个电子标签。

（g）可以把某些数据信息写入标签中。数据传输速率比低频要快，数据量大些。

       超高频（433MHz）通过电场来传输能量。电场的能量下降的不是很快，但是读取的区域不是很好进行定义。该频段读取距离比较远，无源可达10m左右。主要是通过电容耦合的方式进行实现。特性如下：

（a）在该频段，全球的定义不是很相同，频段功率输出也没有统一的定义。

（b）超高频频段的电波不能通过许多材料，特别是金属，液体，灰尘，雾等悬浮颗粒物质，可以说环境对超高频段的影响是很大的。

（c）电子标签的天线一般是长条和标签状。天线有线性和圆极化两种设计，满足不同应用的需求。

（d）该频段有好的读取距离，但是对读取区域很难进行定义。

（e）有很高的数据传输速率，在很短的时间可以读取大量的电子标签。

（5）Zigbee：一种短距离、低功耗的无线通信技术，基于IEEE 802.15.4协议。特点包括：

（a）低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6到24个月，锂电池甚至可达10年更长。

（b）低成本。通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求。

（c）低速率。ZigBee工作在小于250kbps的通讯速率，即每秒才四分之一兆。

（EG1：测CC2530的速度实验，见http://bbs.ednchina.com/BLOG_ARTICLE_3020645.HTM）

网上这个例子的实验结果如下，可以看到也就50kbps。

（d）近距离。传输范围一般介于（空旷距离）10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到（空旷距离）100m-1km。这指的是相邻节点间的距离。

（e）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

（f）高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

（g）高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

（h）免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。

（6）ZigBee和IEEE 802.15.4的关系：

ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准之上的。其中IEEE 802.15.4只定义了物理层（DSSS：数据的调制发送和接收解调，介质选择，信道选择）和MAC层（CSMA/CA：产生网络信标，设备安全等），ZigBee在其上继续构建，形成了ZigBee联盟，完成了网络层和标准化API，还实现了安全层等，形成了ZStack。

（7）ZigBee无线网络通信信道  

IEEE 802.15.4（ZigBee）工作在ISM频带，定义了两个频段，2.4GHz频段和896/915MHz频段。

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