Comunicación por cable patentada
Zigbee es un protocolo de red de área personal de bajo consumo basado en el estándar IEEE802.15.4. La tecnología especificada en el acuerdo es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance y baja potencia. El nombre proviene de la danza de las abejas de ocho figuras. Porque las abejas se comunican con sus pares volando y zigzagueando, es decir, de esta manera las abejas forman una red de comunicación en la colonia. Se caracteriza por distancias cortas, baja complejidad, autoorganización, bajo consumo de energía y alta velocidad de datos. Es principalmente adecuado para campos de control automático y control remoto y puede integrarse en varios dispositivos. En resumen, ZigBee es una tecnología de comunicación de red inalámbrica de corta distancia, económica y de bajo consumo.
Principio de la tecnología ZigBee
ZigBee es una plataforma de red de transmisión de datos inalámbrica compuesta por hasta 65.000 módulos de transmisión de datos inalámbricos. Es muy similar a la red CDMA o red GSM existente de comunicaciones móviles. . Cada módulo de transmisión de datos de la red ZigBee es similar a una estación base de la red móvil y pueden comunicarse entre sí a través de la red. La distancia entre cada nodo de la red puede variar desde los 75 metros estándar hasta cientos de metros o incluso kilómetros. Además, toda la red ZigBee se puede conectar a otras redes existentes. Por ejemplo, puedes monitorear una red de control ZigBee en algún lugar de Yunnan a través de Internet en Beijing.
La red ZigBee se utiliza principalmente para el control automático de la transmisión de datos, mientras que la red de comunicación móvil se utiliza principalmente para la comunicación de voz. El valor de cada estación base móvil es generalmente de más de un millón de yuanes, mientras que cada "estación base" ZigBee cuesta menos de 1.000 yuanes; cada nodo de la red ZigBee no solo puede conectarse a objetos de monitoreo como sensores, recopilar y monitorear datos directamente, sino que también puede conectarse a objetos de monitoreo como sensores. También transmite automáticamente datos de datos de otros nodos de la red. Además, cada nodo de red ZigBee (FFD) también puede conectar de forma inalámbrica múltiples subnodos aislados (RFD), que no realizan la tarea de transmisión de información de red dentro de su propia cobertura de señal.
Cada nodo de red ZigBee (FFD y RFD) puede admitir hasta 365,438+0 sensores y dispositivos controlados, y cada sensor y dispositivo controlado puede tener en última instancia 8 modos de interfaz diferentes. Puede recopilar y transmitir cantidades digitales y analógicas.
Características de la tecnología ZigBee
La tecnología ZigBee es una tecnología de comunicación inalámbrica bidireccional de corta distancia, baja complejidad, bajo consumo, baja velocidad y bajo coste. Se utiliza principalmente para la transmisión de datos entre varios dispositivos electrónicos de corta distancia, bajo consumo de energía y baja velocidad de transmisión, así como aplicaciones típicas de transmisión de datos periódica, intermitente y de bajo tiempo de respuesta.
Desde que Marconi inventó la radio, la tecnología de comunicación inalámbrica ha ido evolucionando hacia el aumento de las velocidades de datos y las distancias de transmisión. Por ejemplo, la red de comunicaciones móviles (3G) de tercera generación en la red de área amplia tiene como objetivo proporcionar servicios inalámbricos multimedia, y los estándares en la red de área local van desde 1 Mbit/s en IEEE802.11 hasta 54 Mbit/s en IEEE802.11g. La tecnología ZigBee se compromete a proporcionar tecnología de comunicación inalámbrica barata y de baja velocidad con complejidad, costo y consumo de energía extremadamente bajos para dispositivos fijos, portátiles o móviles.
Esta tecnología de comunicación inalámbrica tiene las siguientes características:
1. Bajo consumo de energía.
En modo de trabajo, la velocidad de transmisión de la tecnología ZigBee es baja y la velocidad de transmisión es baja. datos transmitidos La cantidad es muy pequeña, por lo que el tiempo para enviar y recibir la señal es muy corto. En segundo lugar, en el modo inactivo, los nodos ZigBee están en modo de suspensión. El retraso general de búsqueda del dispositivo es de 30 ms, el retraso de activación del modo de suspensión es de 15 ms y el retraso de acceso al canal del dispositivo activo es de 15 ms. Debido al corto tiempo de trabajo, el bajo consumo de energía para enviar y recibir información y el uso del modo de suspensión, los nodos ZigBee ahorran mucho energía. El tiempo de funcionamiento de la batería de los nodos ZigBee puede durar entre 6 meses y 2 años. Al mismo tiempo, dado que el tiempo de la batería depende de varios factores como el tipo de batería, la capacidad, los escenarios de aplicación, etc., la tecnología ZigBee también optimiza el uso de las baterías en el protocolo. Para aplicaciones típicas, las pilas alcalinas pueden durar varios años y, en algunas situaciones en las que la relación entre el tiempo de trabajo y el tiempo total (tiempo de trabajo + tiempo de sueño) es inferior al 1 %, la duración de la batería puede incluso superar los 10 años.
2. Transmisión de datos confiable
La capa de control de acceso a medios (capa MAC) de ZigBee adopta un mecanismo de evitación de conflictos listo para usar. Según este mecanismo de transmisión de datos totalmente confirmado, cuando sea necesario transmitir datos, se transmitirán inmediatamente. Cada paquete de datos enviado debe esperar la información de confirmación del receptor y responder con información de confirmación. Si no hay respuesta al mensaje de confirmación, significa que hay una colisión y se reenviará. Este método puede mejorar la confiabilidad de la transmisión de información del sistema. Al mismo tiempo, se reservan franjas horarias especiales para los servicios de comunicación que requieren un ancho de banda fijo para evitar competencia y conflictos en el envío de datos. Al mismo tiempo, ZigBee está optimizado para aplicaciones sensibles a retrasos, y el retraso de comunicación y el retraso de activación del estado de suspensión son muy cortos.
3. Gran capacidad de red
La baja velocidad, el bajo consumo de energía, la transmisión a corta distancia y otras características de ZigBee lo hacen muy adecuado para admitir dispositivos simples.
ZigBee define dos tipos de dispositivos: dispositivos de función completa (FFD) y dispositivos de función reducida (RFD). Para que un dispositivo sea completamente funcional, es necesario admitir los 49 parámetros básicos. Para dispositivos con funciones simplificadas, la configuración mínima solo debe admitir 38 parámetros básicos. Los dispositivos con todas las funciones pueden comunicarse con dispositivos con funciones reducidas y otros dispositivos con todas las funciones y pueden funcionar de tres maneras: como coordinador de red de área personal, coordinador o dispositivo. Los dispositivos de funciones reducidas sólo pueden comunicarse con dispositivos de funciones completas, y los dispositivos de funciones completas sólo se utilizan en aplicaciones muy simples. La red ZigBee incluye hasta 255 nodos de red ZigBee, uno de los cuales es el dispositivo maestro y los demás son dispositivos esclavos. Si se utiliza un coordinador de red, toda la red puede admitir hasta más de 64.000 nodos de red ZigBee y los coordinadores de red se pueden conectar entre sí, por lo que la cantidad de nodos de red ZigBee será considerable.
4. Viva en armonía
La tecnología ZigBee se integra perfectamente con los estándares de red de control existentes. La red se establece automáticamente a través del coordinador de red y el acceso al canal se realiza mediante detección de portadora/detección de colisiones (CSMA-CA). Para una entrega confiable, también se proporciona un protocolo de intercambio completo.
5. Seguridad
Zigbee proporciona funciones de autenticación y verificación de la integridad de los datos, y proporciona tres niveles de seguridad en la transmisión de datos. El primer nivel es en realidad un camino inseguro. Para una determinada aplicación, si la seguridad no es importante o la capa superior ha proporcionado suficiente protección de seguridad, el dispositivo puede optar por transmitir datos de esta manera. Para el segundo nivel de seguridad, los dispositivos pueden usar listas de control de acceso (ACL) para evitar que dispositivos no autorizados obtengan datos, y en este nivel no se utiliza cifrado. El tercer nivel de seguridad utiliza criptografía simétrica y pertenece al Estándar de cifrado avanzado (AES) en la transmisión de datos. AES se puede utilizar para proteger cargas de datos, evitando que los atacantes se hagan pasar por dispositivos legítimos, y cada aplicación tiene la flexibilidad de determinar sus atributos de seguridad.
6. Bajo coste de implementación
El coste inicial de este módulo se estima en unos 6 dólares, que pronto se reducirá a 65.438 dólares + 0,5-2,5. libre de patentes. El precio actual de los conjuntos de chips UWB de baja velocidad y bajo consumo es de al menos 20 dólares estadounidenses. El precio objetivo de ZigBee es de sólo unos pocos centavos. El bajo coste también es un factor clave para ZigBee.
7. Retraso corto
El retraso de comunicación y el retraso de activación desde el estado de suspensión son muy cortos. El retraso típico del dispositivo de búsqueda es de 30 milisegundos, el retraso de activación del modo de suspensión es de 15 milisegundos y el retraso de acceso al canal del dispositivo activo es de 15 milisegundos. Por lo tanto, la tecnología ZigBee es adecuada para aplicaciones de control inalámbrico (como ocasiones de control industrial, etc.) con exigencias. retrasos en el tiempo.
La diferencia entre ZigBee y WiFi
Similitudes:
1. Ambas son tecnologías de comunicación inalámbrica de corto alcance;
2. Utilice la banda de frecuencia de 2,4 GHz.
3. Todos utilizan tecnología DSSS;
Diferencias:
1. La velocidad de transmisión es diferente. La velocidad de transmisión de ZigBee no es alta (
2. Diferentes aplicaciones. ZigBee se utiliza en situaciones de baja velocidad y baja potencia, como redes de sensores inalámbricos, y es adecuado para control industrial, monitoreo ambiental, El control del hogar inteligente y otros campos generalmente son una tecnología de red inalámbrica que se utiliza para cubrir un rango determinado (como el primer piso) (el rango de cobertura es de aproximadamente 100 metros y está representado por nuestro enrutador inalámbrico común). un enrutador inalámbrico en un edificio y una computadora portátil en el edificio (con una tarjeta de red inalámbrica) básicamente pueden acceder a Internet de forma inalámbrica
3. Como nueva tecnología, ZigBee. Se ha estado desarrollando y popularizando a gran velocidad desde que se lanzó la primera versión del estándar en 2004. Por razones sexuales, no se ha promocionado ampliamente; WiFi tiene muchas tecnologías maduras y muchas aplicaciones. En general, las dos son bastante diferentes. con diferente posicionamiento en el mercado y poca competencia, solo son técnicamente similares. La interferencia mutua es relativamente grande, especialmente la interferencia de WiFi con ZigBee.
Comparación de los requisitos de memoria de hardware de los dos: ZigBee: 32 ~. 64kb+; WiFi: 1MB+; ZigBee tiene bajos requisitos de hardware.
Comparación del tiempo de encendido de la batería entre los dos: ZigBee: 100 ~ 1000 días; Wifi: 1 ~ 5 días; (uso general, sin transmisor de antena de alta potencia): ZigBee: 1 ~ 1000 m; WiFi: 1 ~ 100 m; ZigBee tiene una larga distancia de transmisión: Comparación de ancho de banda de red: ZigBee: 20 ~ 250 KB/s; /s; ZigBee tiene poco ancho de banda y transmisión lenta.
Aplicación técnica de ZigBee
Como tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance y baja velocidad, ZigBee tiene sus propias características. tiene aplicaciones diseñadas para ello, aunque puede superponerse con otras tecnologías en algunas aplicaciones. Algunas aplicaciones posibles incluyen hogar inteligente, control industrial, lectura automática de medidores, monitoreo médico, aplicaciones de redes de sensores y aplicaciones de telecomunicaciones.
1. Hogar inteligente
En tu hogar pueden haber muchos electrodomésticos y dispositivos electrónicos, como luces, televisores, refrigeradores, lavadoras, computadoras, aires acondicionados, etc. , también puede haber sensores de humo, alarmas, cámaras, etc. En el pasado, es posible que hayamos logrado un control punto a punto como máximo, pero si utilizamos la tecnología ZigBee, estos dispositivos electrónicos y eléctricos pueden conectarse para formar una red, o incluso conectarse a Internet a través de una puerta de enlace, para que los usuarios pueden monitorear cómodamente sus hogares desde cualquier lugar, eliminando la necesidad de quedarse en casa.
2. Control industrial
Existe una gran cantidad de sensores y controladores en el entorno fabril. La tecnología ZigBee se puede utilizar para conectarlos a una red para monitorear, mejorar la gestión del trabajo y reducir costos.
3. Aplicación de redes de sensores
Las redes de sensores también han sido un foco de investigación en los últimos años y tienen buenas perspectivas de aplicación en el seguimiento de cargas, la supervisión de edificios, la protección del medio ambiente, etc. Las redes de sensores requieren un bajo costo de nodo, bajo consumo de energía, conexión en red automática, fácil mantenimiento y alta confiabilidad. Las ventajas de ZigBee en materia de redes y su bajo consumo de energía lo convierten en una buena opción tecnológica para aplicaciones de redes de sensores.
Aún existen algunos problemas con la tecnología Zigbee.
Aunque la tecnología Zigbee fue catalogada como una de las diez nuevas tecnologías con mayor desarrollo y perspectivas de mercado en el mundo en 2004, ha habido mucha discusión sobre las ventajas de la tecnología Zigbee. Hasta ahora, muchos fabricantes nacionales y extranjeros también han desarrollado y producido varios productos Zigbee y han trabajado mucho en su aplicación y promoción. Pero, para ser honesto, hay muy pocos casos significativos en los que se utilice la tecnología Zigbee para resolver problemas prácticos específicos.
Zigbee parece estar de moda, pero aún no es una nueva tecnología verdaderamente práctica. En cuanto al motivo, además de ser una tecnología nueva, también requiere un proceso de madurez tecnológica y cultivo de mercado. En la práctica a largo plazo de aplicar la tecnología Zigbee para resolver problemas prácticos, también hemos descubierto los siguientes problemas. Estos problemas son muy importantes, pero creemos que serán difíciles de resolver en el corto plazo:
1. Una de las tecnologías centrales de Zigbee es la creación de redes dinámicas y el enrutamiento dinámico, es decir, la red Zigbee tiene en cuenta el aumento y la disminución de nodos en la red. Cada nodo de la red necesita volver a conectarse mediante el intercambio de señales inalámbricas dentro. un cierto intervalo de tiempo, y cada vez que un nodo envía un mensaje a otro nodo Al recibir información, es necesario escanear todos los caminos posibles, comenzando por el camino más corto, lo que implica la gestión de redes inalámbricas. Estos requieren una gran cantidad de recursos de ancho de banda y aumentan el retraso en la transmisión de datos. Especialmente a medida que aumenta el número de nodos de red y el número de tránsitos. Por lo tanto, aunque la velocidad de transmisión de radiofrecuencia de Zigbee es de 250 kbps, después de repetidas transferencias, la velocidad real disponible se reducirá considerablemente, el retraso en la transmisión de datos aumentará considerablemente y la gestión de la red inalámbrica se volverá más problemática. Este es el principal problema de la transmisión de datos de la red Zigbee actual.
2. Desde una perspectiva inglesa, la palabra Zigbee consta de dos palabras: "Zig" y "bee". La primera "Zig" significa camino en zigzag en chino, y la última palabra en inglés "bee" significa abeja. Entendemos que la tecnología de red Zigbee imita la forma en que las abejas transmiten información, pasando información entre nodos de la red para transmitir un mensaje de un nodo a otro nodo distante. Según el nodo Zigbee estándar universal, cada transmisión de datos en un espacio abierto aumenta la distancia de transmisión en línea recta en un promedio de 50 metros, y la transmisión de una distancia en línea recta de 500 metros requiere 10 transmisiones en interiores, ya que el 2,4; La frecuencia de transmisión G utilizada por Zigbee generalmente se refleja en la señal. Para la transmisión, debido a la obstrucción de los edificios, a menudo es necesario utilizar más nodos de red para la transmisión de datos. Como se analizó en el primer artículo anterior, este no es un asunto sencillo. una red Zigbee. Por supuesto, también podemos utilizar amplificadores para aumentar la distancia de transmisión de los nodos de la red Zigbee. Pero esto inevitablemente aumentará en gran medida el consumo de energía y el costo de los nodos de la red, perdiendo la intención original de Zigbee de bajo costo y bajo consumo de energía. Además, el uso de este método para aumentar la distancia de transmisión en interiores tiene un efecto limitado. Obviamente, la estructura de comunicación de red en estrella en la que el punto central está al aire libre y los módulos terminales están al aire libre es más razonable.
3. Una de las tecnologías centrales de Zigbee es que cada nodo de la red, además de servir como punto de recopilación de información y ejecutar comandos desde el centro, también es responsable de transmitir datos desde la red en cualquier momento. . De esta manera, el transceptor del nodo de red debe estar en estado de transceptor en todo momento, lo que significa que su consumo de energía mínimo es de al menos aproximadamente 20 mA. El consumo de energía de los nodos de red remotos que utilizan amplificadores es generalmente de aproximadamente 150 mA. Obviamente, es difícil garantizar el funcionamiento normal de los nodos de la red utilizando un controlador de batería;
4. Dado que cada nodo en Zigbee participa en la red automática y el enrutamiento dinámico, el microcontrolador de cada nodo de la red es relativamente complejo. es naturalmente mayor. Además, la carga de trabajo de desarrollo de aplicaciones específicas basadas en redes Zigbee también es mayor.
En resumen, creemos que las redes Zigbee, en muchos casos, sacrifican la eficiencia de transmisión de la red, el ancho de banda del módulo de nodo y el consumo de energía a cambio de funciones de red dinámica y enrutamiento dinámico. No es importante en muchas aplicaciones prácticas. , porque en términos generales, nuestros nodos de red y canales de transmisión de datos suelen ser fijos.
Por lo tanto, la tecnología Zigbee actual no resuelve el problema del consumo de energía de los nodos, la baja eficiencia de transmisión de datos de la red y la distancia de transmisión de datos limitada. Estas son las razones fundamentales por las que es difícil popularizar la tecnología Zigbee.