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

ZigBee與其他無(wú)線通信技術(shù)的比較ZigBee節(jié)點(diǎn)能耗分析ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭(zhēng)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)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(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)〔PAN，PersonalAreaNetwork)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。一ZigBee的定義和進(jìn)展定義進(jìn)展2023年ZigBee聯(lián)盟選擇德國(guó)萊茵TUV集團(tuán)作為唯一的全世界無(wú)線試驗(yàn)室測(cè)試ZigBee技術(shù)產(chǎn)品的代表，在世界各地供給ZigBee聯(lián)盟認(rèn)可的商標(biāo)認(rèn)證和全都性平臺(tái)測(cè)試效勞。2023年4月，ZigBee聯(lián)盟正式推出了ZigBeeLightLink,該ZigBee應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)特地為照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)，定義了一種先進(jìn)的燈控應(yīng)用信息傳遞協(xié)議，同時(shí)納入了一種簡(jiǎn)潔的配置機(jī)制，使消費(fèi)者能夠開箱即用，極大的推動(dòng)了智能家居的進(jìn)展。目前我國(guó)ZigBee技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)根本成型。芯片達(dá)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(chǎng)，分別為家庭與樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子、自動(dòng)讀表與其他方面，包括工業(yè)自動(dòng)化、監(jiān)控檢測(cè)、醫(yī)療、幼兒監(jiān)護(hù)、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(diǎn)。由于ZigBee的傳輸速率相對(duì)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(jī)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(fèi)供給,,使用戶縮短了開發(fā)周期,降低了開發(fā)本錢。3.時(shí)延短ZigBee針對(duì)時(shí)延要求短的應(yīng)用進(jìn)展了優(yōu)化,一般搜尋設(shè)備的時(shí)延低于30ms,節(jié)點(diǎn)從休眠模式中激活的時(shí)延小于15ms,信道的接入時(shí)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?fù)錁?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(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。5.工作頻段敏捷ZigBee有三個(gè)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(gè)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(diǎn)

7.安全的數(shù)據(jù)傳輸ZigBee支持三種安全模式,可釆用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對(duì)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(lán)牙也承受全世界通用的2.4GHzISM頻段,隨著手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備的普及,藍(lán)牙技術(shù)也得到了快速的進(jìn)展。但藍(lán)牙的傳輸距離一般在10m以內(nèi),且一個(gè)主設(shè)備最多只能與7個(gè)從設(shè)備進(jìn)展通信,這極大的限制了藍(lán)牙技術(shù)的適用環(huán)境。而ZigBee技術(shù)以其較遠(yuǎn)的傳輸距離和多級(jí)路由組網(wǎng)的技術(shù)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)得到延長(zhǎng),抑制了藍(lán)牙信號(hào)傳輸距離過短的缺點(diǎn)。而且ZigBee協(xié)議的簡(jiǎn)單程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面更適合于藍(lán)牙技術(shù)。三ZigBee與其他無(wú)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(gè)人電腦、手機(jī)、平板等終端設(shè)備以無(wú)線方式相互連接到一起,其傳輸速率可到達(dá)54Mb/s,掩蓋的半徑也能到達(dá)100米,有效的解決了用戶最終100米的通信需求。但與此同時(shí)帶來(lái)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(diǎn),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(wú)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(shí)別(RFID)演化而來(lái)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(wú)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(jī)等移動(dòng)消費(fèi)產(chǎn)品中。但與ZigBee技術(shù)相比,其一對(duì)一通信的特點(diǎn)和超近的適用距離不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee與UWB的比較。UWB無(wú)線通信技術(shù)是一種不用載波,而承受脈沖進(jìn)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(hào),且傳輸速率在10米內(nèi)速率可到達(dá)數(shù)百M(fèi)b/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(lái)開頭利用其亞納秒超級(jí)脈沖做室內(nèi)的準(zhǔn)確定位。但其較高的功耗和硬件本錢不適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),可以與ZigBee技術(shù)互補(bǔ)合作,組成共同的網(wǎng)絡(luò),進(jìn)展無(wú)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(wú)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(diǎn)能耗分析所以在進(jìn)展低功耗設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮處理器和通信模塊的低功耗硬件設(shè)計(jì),盡量削減節(jié)點(diǎn)的通信次數(shù),降低每次通信時(shí)產(chǎn)生的功耗,在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑時(shí)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)入休眠,使節(jié)點(diǎn)的功耗降到最低。五ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭(zhēng)論元器件選型進(jìn)展低功耗硬件設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先通過選擇低功耗的芯片來(lái)降低節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)潔,具有電源治理功能,能夠工作在不同的供電模式下,實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)要求。此外,CC2530還改進(jìn)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(fèi)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(diǎn)。工作電流為1mA時(shí)壓差僅為5mV,加以最大工作電壓時(shí),無(wú)負(fù)載工作電流僅為2.5uA。ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊化設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的職責(zé)是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展采集、處理和發(fā)送,在對(duì)其進(jìn)展設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)展考慮：(1)低功耗。節(jié)點(diǎn)一般由電池供電,所擁有的能量有限,能耗過高會(huì)使節(jié)點(diǎn)的能量很快用完而使整個(gè)系統(tǒng)的壽命變短，所以功耗問題是首先考慮的重點(diǎn)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(shí),由于節(jié)點(diǎn)分布范圍廣,數(shù)量巨大,節(jié)點(diǎn)的本錢問題也成了必需考慮的一個(gè)重要問題。(3)微型化。節(jié)點(diǎn)的體積應(yīng)當(dāng)盡量的小,微型化的節(jié)點(diǎn)不但功耗低而且在進(jìn)展擴(kuò)開放發(fā)時(shí)能適用更多的場(chǎng)合。(4)可擴(kuò)展性。不同的場(chǎng)合,節(jié)點(diǎn)的任務(wù)不同,使節(jié)點(diǎn)具有很好的擴(kuò)展性能夠便利開發(fā)者進(jìn)展擴(kuò)展,節(jié)省開發(fā)時(shí)間和本錢。硬件設(shè)計(jì)低功耗從元器件選型和最重要的ZigBee模塊兩個(gè)方面對(duì)節(jié)點(diǎn)硬件低功耗進(jìn)展設(shè)計(jì)。ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造如圖:五ZigBee網(wǎng)絡(luò)低功耗爭(zhēng)論低功耗ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)軟件的低功耗設(shè)計(jì)是節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)的重要組成局部,從以下幾個(gè)方面進(jìn)展軟件的低功耗設(shè)計(jì):(1)合理的優(yōu)化代碼。對(duì)代碼進(jìn)展合理的優(yōu)化能夠降低代碼運(yùn)算和空間簡(jiǎn)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(hào)整形變量等,都能夠降低代碼的平均功耗。(2)適當(dāng)?shù)南鳒p通信流量。削減通信流量的方法有:①對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)展處理,推斷錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)信息并丟棄,削減通信量;②對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)展壓縮,削減無(wú)用的信息③盡量避開通信堵塞沖突的產(chǎn)生,通信堵塞會(huì)引起數(shù)據(jù)重傳,加大節(jié)點(diǎn)功耗,嚴(yán)峻的話會(huì)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(shí)間。節(jié)點(diǎn)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(diǎn)在進(jìn)展通信時(shí)能耗最高,而進(jìn)入睡眠眠模式時(shí)能耗最低,所以在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入空閑時(shí)準(zhǔn)時(shí)的進(jìn)入睡眠能有效的降低節(jié)點(diǎn)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(diǎn)間的通信質(zhì)量來(lái)選擇合理的發(fā)送功率,使節(jié)點(diǎn)的功耗進(jìn)一步降低。Zigbee協(xié)議組網(wǎng) 在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，不同的節(jié)點(diǎn)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(gè)FFD節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的治理工作。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有只有一個(gè)協(xié)調(diào)者。它具有以下幾個(gè)功能：選擇所用網(wǎng)絡(luò)的信道；從協(xié)調(diào)者開頭，啟動(dòng)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(diǎn)〔rooter〕：它是一個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)，一般被應(yīng)用于樹形或者M(jìn)esh拓?fù)錁?gòu)造中擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)掩蓋量。它用于去找到從源點(diǎn)到終點(diǎn)的一條最正確路徑來(lái)傳輸信息。路由節(jié)點(diǎn)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(gè)RFD節(jié)點(diǎn)，被用于連接到路由節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)者。終端節(jié)點(diǎn)完成以下2個(gè)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(rèn)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)議棧基于標(biāo)準(zhǔn)的OSI(OpenSystemInterconnection)七層模型，但只是在相關(guān)的范圍來(lái)定義一些相應(yīng)層來(lái)完成特定的任務(wù)。IEEE802．15．4—2023標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩個(gè)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(duì)象(ZigBeeDevice0bjects。ZD0)以及制造商定義的應(yīng)用對(duì)象。Zigbee與其他無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)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(guó)的915MHz頻帶，以及全球通用的2.4GHz頻帶，但這三個(gè)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(gè)，10個(gè)和16個(gè)信道。不同頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式也有所區(qū)分，雖然都使用了直接序列擴(kuò)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(jī)基帶局部的框圖(如圖1)，可以看到物理層局部特別簡(jiǎn)潔，而IEEE802.15.4芯片的低價(jià)格正是得益于底層的簡(jiǎn)潔性。可能我們會(huì)擔(dān)憂它的性能，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(kuò)頻技術(shù)具有肯定的抗干擾效果，同時(shí)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(dá)30~50m作用距離，在室外假設(shè)障礙物較少，甚至可以到達(dá)10