Comprenda la tecnología negra, puede comprender la tecnología de comunicación inalámbrica ZigBee en 3 minutos

El desarrollo de la tecnología de la industria global de las comunicaciones presenta tres grandes tendencias: inalámbrica, de banda ancha e IP. Entre las muchas tecnologías de banda ancha, la tecnología inalámbrica, especialmente la tecnología de comunicación móvil, se ha convertido en los últimos años en el punto culminante del mercado de la tecnología de la comunicación y es una parte importante de la tecnología de la comunicación del futuro.

Zigbee es un protocolo de red de área personal de bajo consumo basado en el estándar IEEE802.15.4. La tecnología especificada en este acuerdo es una tecnología de comunicación inalámbrica de corto alcance y baja potencia. El nombre proviene de la danza de las abejas de ocho caracteres, porque las abejas dependen de la "danza" de las alas voladoras y en zigzag para comunicar la ubicación del polen a sus compañeras. red de comunicación del grupo. Se caracteriza por su corto alcance, baja complejidad, autoorganización, bajo consumo de energía y alta velocidad de datos. Es principalmente adecuado para su uso en los campos del control automático y el control remoto y puede integrarse en varios dispositivos. En resumen, ZigBee es una tecnología de comunicación de red inalámbrica de corto alcance, barata y de bajo consumo.

Principios técnicos de ZigBee

ZigBee es una plataforma de red de transmisión de datos inalámbrica compuesta por hasta 65.000 módulos de transmisión de datos inalámbricos, que es muy similar a la red CDMA existente de comunicaciones móviles. En la red GSM, cada módulo de transmisión de datos de la red ZigBee es similar a una estación base de la red móvil. Pueden comunicarse entre sí dentro de toda la red, la distancia entre cada nodo de la red puede variar desde los 75 metros estándar hasta los cientos de metros ampliados; o incluso varios kilómetros, además toda la red ZigBee también se puede conectar a otras redes existentes. Por ejemplo, se puede monitorear una red de control ZigBee en algún lugar de Yunnan a través de Internet en Beijing.

La red ZigBee se establece principalmente para el control automático de la transmisión de datos, mientras que la red de comunicación móvil se establece principalmente para la comunicación de voz. El valor de cada estación base móvil es generalmente de más de un millón de yuanes, y cada ZigBee; "La "estación base" cuesta menos de 1.000 yuanes; cada nodo de la red ZigBee no solo puede conectarse directamente al objeto de monitoreo, como un sensor, para la recopilación y el monitoreo de datos, sino que también puede transferir automáticamente los datos transmitidos desde otros nodos de la red; Además, cada nodo de red ZigBee (FFD) también se puede conectar de forma inalámbrica a múltiples subnodos aislados (RFD) que no realizan tareas de transferencia de información de red dentro del rango de su propia cobertura de señal.

Cada nodo de red ZigBee (FFD y RFD) puede admitir hasta 31 sensores y dispositivos controlados, y cada sensor y dispositivo controlado puede tener en última instancia 8 métodos 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 corto alcance, baja complejidad, bajo consumo, baja velocidad y bajo coste. Se utiliza principalmente para la transmisión de datos entre varios dispositivos electrónicos con distancias cortas, bajo consumo de energía y baja velocidad de transmisión, así como aplicaciones típicas con datos periódicos, datos intermitentes y transmisión de datos de bajo tiempo de respuesta.

Desde que Marconi inventó la radio, la tecnología de comunicación inalámbrica ha ido evolucionando hacia velocidades de datos y distancias de transmisión cada vez mayores. Por ejemplo: La red de comunicación móvil de tercera generación (3G) dentro de la red de área amplia tiene como objetivo proporcionar servicios inalámbricos multimedia. Los estándares dentro de la red de área local van desde 1 Mbit/s de IEEE802.11 hasta 54 Mbit/s de IEEE802.11g. La tecnología ZigBee se compromete a proporcionar una tecnología de comunicación inalámbrica de bajo costo y 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 tecnología ZigBee tiene una baja tasa de transmisión y una gran cantidad de datos a transmitir es pequeña, por lo que el tiempo de envío y recepción de la señal es muy corto. En segundo lugar, cuando no funciona, el nodo ZigBee está en modo de suspensión. El retraso de búsqueda del dispositivo es generalmente 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 la adopción 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 aproximadamente 2 años. Al mismo tiempo, dado que el tiempo de la batería depende de muchos factores, como el tipo de batería, la capacidad y los escenarios de aplicación, la tecnología ZigBee también optimiza el uso de la batería en el protocolo. Para aplicaciones típicas, las pilas alcalinas pueden durar varios años y, en algunos casos, en los que la relación entre el tiempo de funcionamiento 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 para evitar colisiones de hablar cuando esté listo. Bajo este mecanismo de transmisión de datos totalmente confirmado, cuando sea necesario la transmisión de datos, se transmitirá inmediatamente. Cada paquete de datos enviado debe esperar la información de confirmación del receptor y responder con información de confirmación. ser enviado Indica que ha ocurrido una colisión y se transmitirá nuevamente. Este método puede mejorar la confiabilidad de la transmisión de información del sistema. Al mismo tiempo, se reservan franjas horarias dedicadas a 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

Las características de baja velocidad, bajo consumo de energía y transmisión de corta distancia 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, solo se requiere admitir 38 parámetros básicos en la configuración mínima. Un dispositivo con todas las funciones puede comunicarse con dispositivos con funciones reducidas y otros dispositivos con todas las funciones, y puede funcionar de tres maneras: coordinador de red de área personal, coordinador o dispositivo. Los dispositivos con funciones reducidas, por otro lado, sólo pueden comunicarse con dispositivos con funciones completas y sólo se utilizan en aplicaciones muy simples. Una red ZigBee incluye hasta 255 nodos de red ZigBee, uno de los cuales es el dispositivo maestro y el resto son dispositivos esclavos. A través del Coordinador de red, toda la red puede admitir hasta más de 64.000 nodos de red ZigBee. Además, cada Coordinador de red se puede conectar entre sí y la cantidad de nodos de red ZigBee será considerable.

4. Compatibilidad

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 (Coordinador) y el método de detección de colisión/detección de portadora (CSMA-CA) se utiliza para el acceso al canal. Para una entrega confiable, también se proporciona un protocolo de intercambio completo.

5. Seguridad

Zigbee proporciona funciones de verificación y autenticación de la integridad de los datos, proporcionando tres niveles de seguridad en la transmisión de datos. En realidad, el primer nivel no es un método de seguridad. Para determinadas aplicaciones, si la seguridad no es importante o la capa superior ha proporcionado suficiente protección de seguridad, el dispositivo puede elegir este método para transferir datos. Para el segundo nivel de seguridad, los dispositivos pueden usar listas de control de acceso (ACL) para evitar que dispositivos no autorizados obtengan datos. No se toman medidas de cifrado en este nivel. El tercer nivel de seguridad utiliza cifrados simétricos pertenecientes al Estándar de cifrado avanzado (AES) durante la transferencia de datos. AES se puede utilizar para proteger cargas de datos y evitar que los atacantes se hagan pasar por dispositivos legítimos. Cada aplicación puede determinar de manera flexible sus atributos de seguridad.

6. Bajo coste de implementación

El coste inicial del módulo se estima en unos 6 dólares estadounidenses, que pronto se reducirá a 1,5-2,5 dólares estadounidenses, y el protocolo Zigbee está patentado. -gratis. Los chipsets UWB actuales de baja velocidad y bajo consumo cuestan al menos 20 dólares. 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 ms y el retraso de activación del modo de suspensión es de 15 ms. El acceso al canal del dispositivo es de 15 ms. Por lo tanto, la tecnología ZigBee es adecuada para aplicaciones de control inalámbrico con requisitos de latencia estrictos (como situaciones de control industrial, etc.).

La diferencia entre ZigBee y WiFi

Similitudes:

1. Ambas son tecnologías de comunicación inalámbrica de corto alcance

2, ambas; utiliza la banda de frecuencia de 2,4 GHz

3. Ambos utilizan tecnología DSSS

Diferencias:

1. La velocidad de transmisión es diferente; La velocidad de transmisión de ZigBee no es alta (<250 Kbps), pero el consumo de energía es muy bajo. Generalmente puede usarse durante más de 3 meses cuando funciona con baterías. WiFi, comúnmente conocida como LAN inalámbrica, tiene una alta velocidad (11 Mbps); ) y alto consumo de energía, y generalmente se usa externamente.

2. Los escenarios de aplicación son diferentes. ZigBee se utiliza en aplicaciones de baja velocidad y bajo consumo de energía, como redes de sensores inalámbricos, y es adecuado para control industrial, monitoreo ambiental, control doméstico inteligente y otros campos. WiFi es generalmente una tecnología de red inalámbrica que se utiliza para cubrir un rango determinado (como un edificio) (el rango de cobertura es de aproximadamente 100 metros). La forma de expresión es nuestro enrutador inalámbrico de uso común. Instale un enrutador inalámbrico en un edificio y, básicamente, todas las computadoras portátiles (con tarjetas de red inalámbrica) del edificio podrán acceder a Internet de forma inalámbrica.

3. La situación del mercado es diferente. Como tecnología emergente, ZigBee ha experimentado un rápido desarrollo y promoción desde que se lanzó la primera versión del estándar en 2004; actualmente no se ha promocionado a gran escala debido a razones de costo y confiabilidad. La tecnología WiFi es mucho más madura. Hay muchas aplicaciones. En general, hay una gran diferencia entre los dos. Tienen diferente posicionamiento en el mercado y la competencia entre ellos no es muy grande. Es solo que los dos tienen las mismas similitudes técnicas, pero la interferencia mutua entre los dos sigue siendo relativamente grande, especialmente la interferencia de WiFi a ZigBee.

Comparación de los requisitos de memoria de hardware entre los dos: ZigBee: 32~64 KB+; WiFi: 1 MB+ los requisitos de hardware de ZigBee son bajos.

Comparación del tiempo sostenible de suministro de energía de la batería entre los dos: ZigBee: 100~1000 días; WiFi: 1~5 días; ZigBee tiene un bajo consumo de energía. Comparación de distancia de transmisión (uso general, sin dispositivo transmisor de antena de alta potencia): ZigBee: 1~1000M WiFi: 1~100M ZigBee tiene una distancia de transmisión larga. Desventajas de ZigBee: Comparación del ancho de banda de la red: ZigBee: 20~250 KB/s; WiFi: 11000 KB/s ZigBee tiene un ancho de banda bajo y una transmisión lenta.

Aplicaciones técnicas de ZigBee

Como tecnología de comunicación inalámbrica de corta distancia y baja tasa, ZigBee tiene unas características propias, por lo que existen aplicaciones hechas a medida para ello aunque en determinadas algunas. Los aspectos de aplicación pueden superponerse con otras tecnologías. Algunas posibles aplicaciones de ZigBee incluyen hogares inteligentes, 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 equipos electrónicos, como luces, televisores, refrigeradores, lavadoras, computadoras, aires acondicionados, etc. y también puede haber sensores de humo. En el pasado, solo podíamos lograr el control punto a punto de equipos como alarmas y cámaras, pero si se utiliza la tecnología ZigBee, estos equipos electrónicos y eléctricos se pueden conectar para formar una red. e incluso conectado a Internet a través de una puerta de enlace, para que los usuarios puedan controlar cómodamente la situación de su hogar desde cualquier lugar y ahorrarse la molestia de realizar el cableado en casa.

2. Control industrial

Hay una gran cantidad de sensores y controladores en el entorno de la fábrica que se pueden utilizar para conectarlos en una red para monitorear, fortalecer la gestión de operaciones, y reducir costos.

3. Aplicaciones de redes de sensores

Las redes de sensores también son un punto de investigación reciente y tienen buenas perspectivas de aplicación en aspectos como el seguimiento de carga, el monitoreo de edificios y la protección ambiental. Las redes de sensores requieren nodos de bajo costo, 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.

Todavía hay problemas con la tecnología Zigbee

Aunque la tecnología Zigbee fue catalogada como una de las diez nuevas tecnologías con mayor desarrollo y mayores perspectivas de mercado en el mundo en 2004; Se ha debatido mucho sobre las ventajas de la tecnología Zigbee. Hasta ahora, muchos fabricantes nacionales y extranjeros han desarrollado y producido una variedad de productos Zigbee y han trabajado mucho en la promoción de aplicaciones. Realmente se utiliza completamente para resolver problemas prácticos específicos, y hay casos significativos muy limitados.

Zigbee parece haberse puesto de moda, pero aún no es una nueva tecnología verdaderamente práctica. Por esta razón, además de ser una tecnología nueva, en sí misma requiere un proceso de mejora y madurez tecnológica, así como de cultivo en el mercado. En nuestra práctica a largo plazo de aplicar la tecnología Zigbee para resolver problemas prácticos, también hemos encontrado lo siguiente. muy importante: Problemas que creemos que son muy difíciles de resolver en el corto plazo:

1. Una de las tecnologías centrales de Zigbee son las redes dinámicas y el enrutamiento dinámico, es decir, la red Zigbee tiene en cuenta cuenta los cambios en el número de nodos en la red y la red Cada nodo en la red necesita reorganizar la red a través de comunicación de señal inalámbrica después de un cierto período de tiempo, y cada vez que se envía información de un nodo a otro nodo, necesita escanear varias rutas posibles e intentar desde la ruta más corta. Desde entonces, esto implica problemas de administración de la red inalámbrica. Todo esto requiere una gran cantidad de recursos de ancho de banda y aumenta los retrasos en la transmisión de datos. Especialmente a medida que aumenta el número de nodos de red y el número de transferencias. Por lo tanto, aunque la velocidad de transmisión de radiofrecuencia de Zigbee es de 250 kbps, la velocidad real disponible después de múltiples transferencias se reducirá considerablemente y el retraso en la transmisión de datos también aumentará considerablemente, lo que hará que la gestión de la red inalámbrica sea más problemática. Este es el principal problema en la transmisión de datos de la red Zigbee en la actualidad.

2. Desde una perspectiva inglesa, la palabra Zigbee se compone de las dos palabras "Zig" y "bee". El antiguo "Zig" en chino significa camino en forma de "Zig", y la palabra inglesa "abeja" detrás significa abeja. Entendemos que la tecnología de red Zigbee imita la forma en que las abejas transmiten información, a través de la transmisión de información entre nodos de la red. Transmisión mutua para transmitir un mensaje de un nodo a otro nodo distante. Si se calcula de acuerdo con el nodo Zigbee estándar general, cada transferencia de datos en un espacio abierto aumenta la distancia de transmisión en línea recta en un promedio de 50 metros, y se requieren diez transferencias para transmitir una distancia en línea recta de 500 metros en interiores; Debido a la obstrucción de los edificios, a menudo es necesario utilizar más nodos de red para la transferencia de datos para transmitir a una cierta distancia. Analizado en el primer artículo anterior, esto no es adecuado para una red Zigbee. No es una cuestión sencilla. Por supuesto, también podemos usar amplificadores para aumentar la distancia de transmisión de los nodos de la red Zigbee. Sin embargo, esto inevitablemente aumentará en gran medida el consumo de energía y el costo de los nodos de la red, perdiendo el propósito original de bajo costo y bajo consumo de energía de Zigbee. Además, el uso de este método en interiores para aumentar la distancia de transmisión tiene un efecto limitado. Obviamente, es más razonable una estructura de comunicación de red en estrella con el punto central al aire libre y los módulos terminales al aire libre.

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 asume la tarea de transferir datos de la red en cualquier De esta manera, el transceptor del nodo de red debe estar en estado de recepción y transmisión en todo momento, lo que significa que su consumo de energía mínimo es de al menos aproximadamente 20 mA. Generalmente, el consumo de energía de los nodos de red de larga distancia que utilizan amplificadores. es generalmente de unos 150 mA. Obviamente, es difícil utilizar un controlador de batería para garantizar el funcionamiento normal de los nodos de la red.

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 y el costo es naturalmente mayor. Además, la cantidad de trabajo de desarrollo para aplicaciones específicas basadas en la red Zigbee es mayor.

En resumen, creemos que la red Zigbee, de hecho, en muchos casos, sacrifica la eficiencia de transmisión de la red, el ancho de banda y el consumo de energía del módulo de nodo a cambio de que, en muchas aplicaciones prácticas, no sea importante la red dinámica y Funciones de enrutamiento dinámico, porque, en circunstancias normales, nuestros nodos de red y rutas de transmisión de datos a menudo son fijos. Por lo tanto, la tecnología Zigbee actual aún no ha resuelto el problema del consumo de energía de los nodos, la baja eficiencia de la transmisión de datos de la red y el problema del retraso prolongado, así como el problema de la distancia limitada de transmisión de datos, que son las razones fundamentales por las que la tecnología Zigbee actual Es difícil ser bien promocionado.