2009年4月10日 星期五

Zigbee背景以及工作原理

前言:工欲善其事,必先利其器,想要研究Zigbee的應用就必須先瞭解他的背景以及原理

Zigbee背景介紹

透 過科技的研究世界以慢慢由電子化和行動化演進到了無所不在應用化的無線時代階段,如此科技的適當應用與 結合,亦將人類活推向了擁有自主思考的智慧型生活空間,近期崛起的無線個人區域網路Zigbee,由於容易建制,以及低功率並易於結合感測器的無線傳輸功 能,使我們利用Zigbee元件來實作管理智慧型生活建制的構想。

但時至今日,隨著一個個系統與產品 的成功(儒丹麥電力 公司NESA)將利用Freescale的Zigbee技術,在歐洲部署支援Zigbee的自動讀錶系統(AMR),中國華立儀表集團採用的Ember的 Zigbee技術部署AMR系統,SK Telecom提出以手機為核心、以Zigbee為控制技術的智慧家庭服務;以及Hawking Technologies採Freescale的Zigbee技術,只需要使用玩線敢測器及晶片即可進行居家監控等例子)。加上Zigbee聯盟在 2006年1月國際消費電子展(CES)上宣佈,將開始提供Zigbee互通性認證機制,以健全市場發展;在產品、認證機制逐漸完備的情形 下,Zigbee的發展也逐漸明確。

Zigbee工作方式簡介

工作模式情況下,ZigBee技術傳輸速率低,傳輸數據量很小,因此信號的收發時間很短,其次在非工作模式時,ZigBee 節點處於休眠模式。設備搜索時間一般為30ms,休眠激發時間為15ms,活動設備信道接入時間為15ms。由於工作時間較短、收發資訊功耗較低且採用了 休眠模式,使得ZigBee節點非常省電,ZigBee節點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右。同時,由於電池時間取決於很多因素,例如:電池種 類、容量和應用場合,ZigBee技術在協議上對電池使用也作了優化。對於典型應用,鹼性電池可以使用數年,對於某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間)之比小於1%的情況,電池的壽命甚至可以超過10年。

重點:傳輸速率不高,收發時間短,適合短距離式的區域網路應用,省電為其優點

ZigBee的媒體接入控制層(MAC (註 p.s1有說明)) 採用talk-when-ready的碰撞避 免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下,當有數據傳送需求時則立刻傳送,發送的每個數據包都必須等待接收方的確認資訊,並進行確認資訊回覆,若沒有得到確認資訊的回覆就表示發生了碰撞,將再傳一次,採用這種方法可以提高系統資訊傳輸的可靠性。同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避免了發送數據 時的競爭和衝突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優化,通信時間和休眠狀態激發的時間都非常短。

重點:其傳輸方式提高資訊傳輸的可靠信,減少信號的失誤

Zigbee工作方式原理(參考維基百科提供的資訊)



ZigBeeTM是一種無線網路協定,主要由ZigBee Alliance制定,底層是採用 IEEE 802.15.4 標準規範的媒體存取層與實體層。主要特色有低速、低耗電、支援大量網路節點、支援多種網路拓撲。


p.s 關於
網路拓撲 的 的解釋請按這

p.s1 媒體存取層(MAC) 主要功用為提供定址及媒體存取的控制方式,使得不同設備或網路上的節點可以在多點的網路上通訊,而不會互相衝突

ZigBee
協定層從下到上分別為實體層(PHY)、媒體存取層(MAC)、網路層(NWK)、應用層(APL)等。網路裝置的角色可分為ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End Device等三種。支援網路拓撲有StarTreeMesh等三種。

p.s2 Coordinator(
協定者)Router(路由器:連接數個區域網路的中繼裝置)
p.s3
網路拓撲有Star、Tree、Mesh
請參考這張圖片

網路層負責以下工作:

* 加入與離開某個網路
* 將封包作安全性處理
* 傳送封包到目標節點
* 找尋並維護節點間的繞徑路線
* 搜尋鄰節點
* 儲存相關鄰節點資訊

ZigBee Coordinator額外工作:
* 發起一個網路
* 設定各項網路參數
* 分派網路位址並規範網路位址分發原則

應用層(APL)

* ZigBee應用層包含應用程式支援子層(APS)、應用程式框架(AF)、ZigBee裝置管控物件(ZDO)與各廠商定義的應用程式物件。
* APS次層提供網路層與應用層之間的介面,維持物件之間的連結表(binding table),並在連結的裝置之間傳遞訊息,它也維持了一個 APS 資訊庫(APS Information Base, AIB)。
* ZDO的功能包括起始應用程式支援子層、網路層以及安全服務等。

應用程式支援子層(APS)

APS子層是負責上層應用程式物件與下層網路層的協調。其工作有:

*維護Binding表,這是用來配對兩網路節點間所需服務的對應表。

*轉發已配對裝置間的訊息。

*處理64位元IEEE位址與16位元NWK位址間的對應。

ZigBee裝置管制物件(ZigBee Device Object, ZDO)

ZDO可視為應用程式物件之一,所不同的是ZDO專門負責整體系統的管理事務,Endpoint 0只能且必定由ZDO使用,每個節點都一定有此物件。負責工作有:
*定義或調整本身裝置在網路上的角色(ZC、ZR或ZED)。
*建構上層應用所需的資訊、發出或回應連結的要求。
*搜尋並探知其他網路節點可用的應用程式服務。
*起始與回應配對要求。
*建立兩網路節點間的安全性關係。

版本
ZigBee V1.0
這是第一個ZigBee標準公開版,於2005年6月開放下載,文件內記載公布時間為June 27, 2005,內部文件編號為053474r06。

ZigBee V1.1
第二個ZigBee標準公開版,於2007年1月開放下載,文件內記載公佈時間為December 1, 2006,內部文件編號為053474r13。又稱為ZigBee 2006。

ZigBee V1.2
第三個ZigBee標準公開版,於2008年1月開放下載,文件內記載公佈時間為January 17, 2008,內部文件編號為053474r17。又稱為ZigBee Pro、ZigBee 2007。

資訊庫(Information Base)
ZigBee某些層有資訊庫儲存該層所需資訊,共有以下幾種:
*MAC資訊庫(MIB)
*NWK資訊庫(NIB)
*APS資訊庫(AIB)

Profile

ZigBee所定義的Profile有兩種:
*Application Pro:針對各種不同應用情境所定義出的概略行為藍圖,如Home Control Lighting(HCL)和Home Automation(HA)。一般所稱的Profile通常是指此種Profile。
*Stack Pro:主要規定通用性的網路參數,如Network Specific、Home Controls(HC)、Building Automation(BA)、Plant Control等Stack Profile。

原則上Application Profile中會說明可採用何種Stack Profile來作為基礎網路建構方案,如HCL中即採用HC作為網路建構方案。

各層定址
*MAC:可採用64位元IEEE位址或16位元NWK位址。
*NWK:16位元NWK位址。
*APS:8位元Endpoint號碼。

這有更詳細的介紹(原文)

點我 (zigbee1.0)

http://www.zigbee.org/Default.aspx (點選learn more)

zigbee modules