低功耗ZigBee技術(shù)概要

低功耗ZigBee模塊爭論匯報人：張聶日期：2023/11/9E211主要內(nèi)容ZigBee技術(shù)特點

ZigBee與其他無線通信技術(shù)的比較ZigBee節(jié)點能耗分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭論五二三四E211ZigBee的定義和現(xiàn)狀

一ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率特別高。ZigBee的根底是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人局域網(wǎng)〔PAN，PersonalAreaNetwork)工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標準。一ZigBee的定義和進展定義進展2023年ZigBee聯(lián)盟選擇德國萊茵TUV集團作為唯一的全世界無線試驗室測試ZigBee技術(shù)產(chǎn)品的代表，在世界各地供給ZigBee聯(lián)盟認可的商標認證和全都性平臺測試效勞。2023年4月，ZigBee聯(lián)盟正式推出了ZigBeeLightLink,該ZigBee應(yīng)用標準特地為照明應(yīng)用而設(shè)計，定義了一種先進的燈控應(yīng)用信息傳遞協(xié)議，同時納入了一種簡潔的配置機制，使消費者能夠開箱即用，極大的推動了智能家居的進展。目前我國ZigBee技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)根本成型。芯片達批量生產(chǎn)階段,Chipcon、Freescale等公司紛紛推出ZigBee解決方案,其中Atmel與Chipcon已開發(fā)出ZigBee單芯片，二者都是選用全球通用的2.4GHz頻道，其他廠商如Ember搭配Atmel及NEC搭配Chipcon芯片，已完成開發(fā)套件，能夠供給系統(tǒng)廠商整合方案。目前企業(yè)正樂觀開發(fā)四大ZigBee應(yīng)用市場，分別為家庭與樓宇自動化、消費電子、自動讀表與其他方面，包括工業(yè)自動化、監(jiān)控檢測、醫(yī)療、幼兒監(jiān)護、物流管控、低溫連鎖治理與農(nóng)業(yè)監(jiān)控等。1.低功耗這是ZigBee技術(shù)最重要的特點。由于ZigBee的傳輸速率相對較低,放射功率較小,使得ZigBee設(shè)備很省電,這是ZigBee技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用的基石。2.低本錢由于ZigBee芯片是基于8051單片機內(nèi)核的,每片芯片的本錢約為2美元,且ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議免費供給,,使用戶縮短了開發(fā)周期,降低了開發(fā)本錢。3.時延短ZigBee針對時延要求短的應(yīng)用進展了優(yōu)化,一般搜尋設(shè)備的時延低于30ms,節(jié)點從休眠模式中激活的時延小于15ms,信道的接入時延小于15ns4.網(wǎng)絡(luò)容量大ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以選用三種不同的拓撲構(gòu)造,分別是:星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以構(gòu)成65000個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。5.工作頻段敏捷ZigBee有三個相距較大的ISM頻段,分別是2.4GHz頻段、915MHz頻段和868MHz頻段。6.低速率ZigBee技術(shù)專注于低速率的應(yīng)用,三個頻段中最高數(shù)據(jù)傳輸速率也只有250Kb/s。二ZigBee技術(shù)特點

7.安全的數(shù)據(jù)傳輸ZigBee支持三種安全模式,可釆用高級加密標準(AES)的對稱密碼和公開密鑰,為數(shù)據(jù)傳輸安全供給了保障。ZigBee技術(shù)與Bluetooth的比較。與ZigBee技術(shù)一樣,藍牙也承受全世界通用的2.4GHzISM頻段,隨著手機、平板等移動設(shè)備的普及,藍牙技術(shù)也得到了快速的進展。但藍牙的傳輸距離一般在10m以內(nèi),且一個主設(shè)備最多只能與7個從設(shè)備進展通信,這極大的限制了藍牙技術(shù)的適用環(huán)境。而ZigBee技術(shù)以其較遠的傳輸距離和多級路由組網(wǎng)的技術(shù)使整個網(wǎng)絡(luò)得到延長,抑制了藍牙信號傳輸距離過短的缺點。而且ZigBee協(xié)議的簡單程度遠遠低于藍牙協(xié)議,ZigBee芯片本錢也更低廉,使ZigBee產(chǎn)品的生產(chǎn)和開發(fā)本錢得到了很好的掌握。因此,ZigBee技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面更適合于藍牙技術(shù)。三ZigBee與其他無線通信技術(shù)的比較ZigBee技術(shù)與Wi-Fi的比較。Wi-Fi可以將個人電腦、手機、平板等終端設(shè)備以無線方式相互連接到一起,其傳輸速率可到達54Mb/s,掩蓋的半徑也能到達100米,有效的解決了用戶最終100米的通信需求。但與此同時帶來的是較高的功耗,所以Wi-Fi設(shè)備一般要求接通電源或者帶有容量較大的電池,這限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的推廣。而低功耗正是ZigBee技術(shù)最重要的特點,多種電源治理模式使ZigBee設(shè)備特別省電,為其在大規(guī)模無線網(wǎng)絡(luò)里面的應(yīng)用供給了可能。ZigBee與NFC的比較。NFC是非接觸式射頻識別(RFID)演化而來的,由諾基亞、飛利浦和索尼共同研發(fā)。它是一種高頻的短距離無線電技術(shù),以其超低的功耗和較高的保密性,被廣泛的應(yīng)用到了手機等移動消費產(chǎn)品中。但與ZigBee技術(shù)相比,其一對一通信的特點和超近的適用距離不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee與UWB的比較。UWB無線通信技術(shù)是一種不用載波,而承受脈沖進展通信的技術(shù),其能在較寬的頻譜上傳輸極低功率的信號,且傳輸速率在10米內(nèi)速率可到達數(shù)百Mb/s甚至數(shù)Gb/s。UWB早期被用于近距離高速數(shù)據(jù)傳輸,近年來開頭利用其亞納秒超級脈沖做室內(nèi)的準確定位。但其較高的功耗和硬件本錢不適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò),可以與ZigBee技術(shù)互補合作,組成共同的網(wǎng)絡(luò),進展無線監(jiān)控。在IC工藝得到很大提升的今日,處理器芯片和傳感器芯片的功耗已經(jīng)特別低了,傳感器的主要能耗集中在無線通信上面。與一般傳感器網(wǎng)絡(luò)一樣,在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,能耗也主要集中在處理器和通信模塊，如下圖：四ZigBee節(jié)點能耗分析所以在進展低功耗設(shè)計時,應(yīng)重點考慮處理器和通信模塊的低功耗硬件設(shè)計,盡量削減節(jié)點的通信次數(shù),降低每次通信時產(chǎn)生的功耗,在節(jié)點進入空閑時準時進入休眠,使節(jié)點的功耗降到最低。五ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭論元器件選型進展低功耗硬件設(shè)計時,應(yīng)首先通過選擇低功耗的芯片來降低節(jié)點能耗。TI公司供給的CC2530片上系統(tǒng)解決方案,CC2530芯片使用的是8051CPU內(nèi)核,工作電壓為2-3.6V。與上一代SOC芯片CC2430相比,CC2530芯片封裝更小,具備最大256KB閃存,外圍電路簡潔,具有電源治理功能,能夠工作在不同的供電模式下,實現(xiàn)低功耗設(shè)計要求。此外,CC2530還改進了RF性能,具有良好的抗干擾力量且CC2530使用的ZigBee2023/PRO協(xié)議棧是TI公司免費開放使用的,使軟件開發(fā)本錢得到降低。選用低功耗的穩(wěn)壓芯片,HT7333-A是用CMOS技術(shù)開發(fā)的穩(wěn)壓芯片,具有壓差低、輸出電壓穩(wěn)定、超低功耗等特點。工作電流為1mA時壓差僅為5mV,加以最大工作電壓時,無負載工作電流僅為2.5uA。ZigBee節(jié)點模塊化設(shè)計節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)中的職責(zé)是對數(shù)據(jù)進展采集、處理和發(fā)送,在對其進展設(shè)計時應(yīng)從以下幾點進展考慮：(1)低功耗。節(jié)點一般由電池供電,所擁有的能量有限,能耗過高會使節(jié)點的能量很快用完而使整個系統(tǒng)的壽命變短，所以功耗問題是首先考慮的重點問題。(2)低本錢。在將ZigBee技術(shù)應(yīng)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)等商業(yè)工程中時,由于節(jié)點分布范圍廣,數(shù)量巨大,節(jié)點的本錢問題也成了必需考慮的一個重要問題。(3)微型化。節(jié)點的體積應(yīng)當盡量的小,微型化的節(jié)點不但功耗低而且在進展擴開放發(fā)時能適用更多的場合。(4)可擴展性。不同的場合,節(jié)點的任務(wù)不同,使節(jié)點具有很好的擴展性能夠便利開發(fā)者進展擴展,節(jié)省開發(fā)時間和本錢。硬件設(shè)計低功耗從元器件選型和最重要的ZigBee模塊兩個方面對節(jié)點硬件低功耗進展設(shè)計。ZigBee節(jié)點硬件構(gòu)造如圖:五ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭論低功耗ZigBee節(jié)點軟件設(shè)計軟件的低功耗設(shè)計是節(jié)點低功耗設(shè)計的重要組成局部,從以下幾個方面進展軟件的低功耗設(shè)計:(1)合理的優(yōu)化代碼。對代碼進展合理的優(yōu)化能夠降低代碼運算和空間簡單度。承受適宜數(shù)據(jù)類型,如盡量少使用32位數(shù)據(jù)類型,使用有符號整形變量等,都能夠降低代碼的平均功耗。(2)適當?shù)南鳒p通信流量。削減通信流量的方法有:①對本地數(shù)據(jù)進展處理,推斷錯誤的數(shù)據(jù)信息并丟棄,削減通信量;②對數(shù)據(jù)包進展壓縮,削減無用的信息③盡量避開通信堵塞沖突的產(chǎn)生,通信堵塞會引起數(shù)據(jù)重傳,加大節(jié)點功耗,嚴峻的話會引起網(wǎng)絡(luò)通信量過大而癱瘓。(3)選擇適宜的睡眠模式和時間。節(jié)點通信模塊的能耗與其選擇的工作模式有關(guān),從之前的分析可以看出,節(jié)點在進展通信時能耗最高,而進入睡眠眠模式時能耗最低,所以在節(jié)點進入空閑時準時的進入睡眠能有效的降低節(jié)點功耗。(4)選擇合理的發(fā)送功率。在網(wǎng)絡(luò)分布比較密集的狀況下,通過獵取節(jié)點間的通信質(zhì)量來選擇合理的發(fā)送功率,使節(jié)點的功耗進一步降低。Zigbee協(xié)議組網(wǎng) 在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點有不同的分工，依據(jù)其工作特性，可以分為以下幾類： 1〕協(xié)調(diào)者：它是一個FFD節(jié)點，負責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的治理工作。每個網(wǎng)絡(luò)中有只有一個協(xié)調(diào)者。它具有以下幾個功能：選擇所用網(wǎng)絡(luò)的信道；從協(xié)調(diào)者開頭，啟動網(wǎng)絡(luò)；分派網(wǎng)絡(luò)地址；允許其他設(shè)備參加或者退出其網(wǎng)絡(luò)；保存鄰接表和路由信息；傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)包； 2〕路由節(jié)點〔rooter〕：它是一個FFD節(jié)點，一般被應(yīng)用于樹形或者Mesh拓撲構(gòu)造中擴大網(wǎng)絡(luò)掩蓋量。它用于去找到從源點到終點的一條最正確路徑來傳輸信息。路由節(jié)點除了不能建立網(wǎng)絡(luò)之外，和協(xié)調(diào)者相比較類似。 3〕終端設(shè)備〔Enddivice〕：它是一個RFD節(jié)點，被用于連接到路由節(jié)點或者協(xié)調(diào)者。終端節(jié)點完成以下2個任務(wù)：參加或者離開網(wǎng)絡(luò)；傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)包； 4〕Zigbee信任中心〔ZigBeetrustcentre〕：它供給安全治理、安全密鑰安排和設(shè)備認證。 5〕網(wǎng)關(guān)〔ZigbeeGateway〕：連接zigbee網(wǎng)絡(luò)和其他網(wǎng)絡(luò)，例如局域網(wǎng)。Zigbee開發(fā)環(huán)境一般選擇破解版的IAREmbeddedWorkbenchforMCS-517.51A作為Zigbee開發(fā)的IDE。以及安裝Ti的Zigbee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議?；跇藴实腛SI(OpenSystemInterconnection)七層模型，但只是在相關(guān)的范圍來定義一些相應(yīng)層來完成特定的任務(wù)。IEEE802．15．4—2023標準定義了下面的兩個層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯(lián)盟在此根底上建立了網(wǎng)絡(luò)層(NWK層)以及應(yīng)用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應(yīng)用支持子層(ApplicationSupportSub—layer，APS)、ZigBee的設(shè)備對象(ZigBeeDevice0bjects。ZD0)以及制造商定義的應(yīng)用對象。Zigbee與其他無線網(wǎng)絡(luò)標準的比較IEEE802.15.4包括物理層和MAC層兩局部。ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的868MHz頻帶，用于美國的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個頻帶的物理層并不一樣，它們各自的信道帶寬分別是0.6MHz,2MHz和5MHz，分別有1個，10個和16個信道。不同頻帶的擴頻和調(diào)制方式也有所區(qū)分，雖然都使用了直接序列擴頻(DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差異;調(diào)制方面都使用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段承受的是BPSK，而2.4GHz頻段承受的是OQPSK。我們可以以2.4GHz頻段為例看看放射機基帶局部的框圖(如圖1)，可以看到物理層局部特別簡潔，而IEEE802.15.4芯片的低價格正是得益于底層的簡潔性?？赡芪覀儠鷳n它的性能，但我們可以再看看它和Bluetooth/IEEE802.15.1以及WiFi/IEEE802.11的性能比較(如圖2)，在同樣比特信噪比的狀況下，IEEE802.15.4要優(yōu)于其他兩者。直接序列擴頻技術(shù)具有肯定的抗干擾效果，同時在其他條件一樣狀況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。在放射功率為0dBm的狀況下，Bluetooth通常能有10m作用范圍，而基于IEEE802.15.4的ZigBee在室內(nèi)通常能到達30~50m作用距離，在室外假設(shè)障礙物較少，甚至可以到達10