安防新势力——ZigBee技术

kanmendegou2020-09-15 16:29:29

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  今天跟大家聊聊安防行业新的当家小生ZigBee.

 ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

技术说明

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息,这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈,是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”“RF- EasyLink”“fireFly”无线电技术,统称为ZigBee

简单的说,ZigBee是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMAGSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。

ZigBee是一个由可多到65535个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立,因而,它必须具有简单,使用方便,工作可靠,价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立,每个基站价值一般都在百万元人民币以上,而每个ZigBee“基站却不到1000元人民币。

每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外,每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。


技术特点

ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s(也叫kb/s)20kbit/s40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

(1) 低功耗由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254

个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

技术应用实例

ZigBee模块是一种物联网无线数据终端,利用ZigBee网络为用户提供无线数据传输功能。该产品采用高性能的工业级ZigBee方案,提供SMTDIP接口,可直接连接TTL接口设备,实现数据透明传输功能;低功耗设计,最低功耗小于1mA;提供6I/O(输入/输出端口),可实现数字量输入输出、脉冲输出;其中有3I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

该产品已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业,如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。

应用设计

1.采用高性能工业级ZigBee芯片

2.低功耗设计,支持多级休眠和唤醒模式,最大限度降低功耗

3.电源输入(DC 2.03.6V

稳定可靠

1.WDT(watchdog timer)看门狗设计,保证系统稳定

2.提供TTL串行接口,SPI接口。

3.天线接口防雷保护(可选)

标准易用

1.采用2.0SMADIP接口,特别适合于不同用户的应用需求。

2.提供TTL接口可直接连相同电压的TTL串口设备

3.智能型数据模块,上电即可进入数据传输状态

4.使用方便,灵活,多种工作模式选择

5.方便的系统配置和维护接口

6.支持串口软件升级和远程维护

功能强大

1.支持ZigBee无线短距离数据传输功能;

2.具备中继路由和终端设备功能;

3.支持点对点、点对多点、对等和Mesh(无线网状)网络;

4.网络容量大:65535个节点;

5.节点类型灵活:中心节点、路由节点、终端节点可任意设置;

6.发送模式灵活:广播发送或目标地址发送模式可选;

7.通信距离大;

8.提供6I/O,可实现6路数字量输入输出;兼容6路脉冲输出、3路模拟量输入、3路脉冲计数功能。

ZigBee技术自组织网

举一个简单的例子就可以说明这个问题,当一队伞兵空降后,每人持有一个ZigBee网络模块终端,降落到地面后,只要他们彼此间在网络模块的通信范围内,通过彼此自动寻找,很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。

而且,由于人员的移动,彼此间的联络还会发生变化。因而,模块还可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

ZigBee技术通信原因

网状网通信实际上就是多通道通信,在实际工业现场,由于各种原因,往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通,就像城市的街道一样,可能因为车祸,道路维修等,使得某条道路的交通出现暂时中断,此时由于我们有多个通道,车辆(相当于我们的控制数据)仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

ZigBee技术路由方式

所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的,而是传输数据前,通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索,分析它们的位置关系以及远近,然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中,路径的选择使用的是“梯度法”,即先选择路径最近的一条通道进行传输,如传不通,再使用另外一条稍远一点的通路进行传输,以此类推,直到数据送达目的地为止。

在实际工业现场,预先确定的传输路径随时都可能发生变化,或者因各种原因路径被中断了,或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构,就可以很好解决这个问题,从而保证数据的可靠传输。

ZigBee技术发展前景

随着我国物联网正进入发展的快车道,ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBeeZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询,提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中,基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器,遇到险情时,可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决,而且,使用简单方便,可靠性高。

据中国电信副总工程师靳东滨介绍,预计到2015年国内物联网市场规模将达到7500亿元,年复合增长率超过30%智慧城市建设成为运营商推进物联网的重要落脚点。此外,工业和信息化部和财政部已设专项资金用以支持物联网发展。据悉,2013年投入的专项资金支持预算较2012年有所增长,将超5亿元。业内人士预计未来10年内物联网会大规模普及,其产业规模将远超互联网。[7] 

ZigBee技术技术瓶颈

通信稳定性:目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折扣。当然,有些厂家会使用射频功放,对2.5G信号进行放大,但是这样会造成额外的辐射污染,同时也和Zigbee低功耗,节能的初衷背道而驰。

自组网能力:Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强,自恢复能力强,因此,对于井下定位,停车场车位定位,室外温湿度采集,污染采集等应用非常具有吸引力。然而,对于智能家居的应用场景中,开关,插座,窗帘的位置一旦固定,一直不变,自组网的优点也就不复存在,但是自组网所耗费的时间和资源缺却依旧高企。

  ZigBee技术的安全性较高,其安全性源于其系统性的设计:采用AES加密(高级加密系统),严密程度相当于银行卡加密技术的12其次,ZigBee采用蜂巢结构组网,每个设备不仅能通过多个方向与网关通信,保障网络的稳定性每个设备还具有无线信号中继功能,可以接力传输通讯信息把无线距离传到1000米以外。另外,其网络容量理论节点为65300个,能够满足家庭网络覆盖需求,即便是智能小区、智能楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖最后,ZigBee具备双向通信的能力,不仅能发送命令到设备,同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。此外,ZigBee采用了极低功耗设计,可以全电池供电,理论上一节电池能使用2年以上。