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zigbee技术及应用-ZigBee技术及应用

发布时间:2018-03-28 所属栏目:工学

一 : ZigBee技术及应用

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二 : ZigBee技术及应用

《典型无线传输技术应用》课程教学资源

ZigBee技术与应用

ZigBee技术与应用
1.

ZigBee概述 ZigBee技术特点 ZigBee应用领域 ZigBee的网络体系结构

2.

3.

4. 5.

ZigBee技术中的基本概念

6/25/2014

ZigBee概述
? 什么是ZigBee技术
? ZigBee 技术是以 IEEE 802.15.4标准为基础,发展出的 无线通讯技术。是一种短距离、低功耗的无线通信技 术 – 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低 数据速率、低成本。
– 主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入 各种设备。

– 简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距 离无线组网通讯技术。

6/25/2014

ZigBee概述
? 什么是ZigBee技术
? ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一 个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网 或GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一 个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行相互通信; 每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几 百米,甚至几公里;另外整个ZigBee网络不仅可以“无限” 扩展开来,而且还可以与现有的其它的各种网络连接。例如 ,你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控 制网络。

6/25/2014

ZigBee概述
? 在标准化方面,IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层 和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准,高 层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。

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ZigBee概述
? ZigBee技术的发展
– 工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求越 来越强烈,而蓝牙技术对于这一领域显然有一定的 局限。 – 2002年,zigbee Alliance成立。 – Zigbee协议在2003年正式问世。

– 2004年,zigbee V1.0诞生。 – 2006年,推出zigbee 2006,比较完善。
– 2007年底,zigbee PRO推出。
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ZigBee的频带和数据传输率

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ZigBee的物理信道

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ZigBee技术特点
1、低功耗:这是 ZigBee 一个显著特点。由于工作周期较短、 收发信息功耗较低且采用了休眠模式,可以确保两节五号 电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。

2、低成本:协议简单且所需的存储空间小,这极大降低了 ZigBee的成本,每块芯片价格仅 2-5 美元,而且 ZigBee 协 议是免专利费。
3、时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。 设备搜索时延为 30ms,休眠激活时延为 15ms,活动设备 信道接入时延为 15ms。
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ZigBee技术特点
4、数据传输速率低:10kbps到250kbps,专注于低传输应用 5、数据传输可靠性高:采用了碰撞避免机制,同时为需要 固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时 的竞争和冲突。MAC层采用了完全

确认的数据传输机制, 发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。 6、网络容量大:一个ZigBee设备可以与另外254个设备相连 接,一个ZigBee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主 设备,一个区域内可以同时存在最低100个ZigBee网络。 网络有星状、树状和网状网络结构。在有节点加入和撤出 时,网络具有自动修复功能。
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ZigBee技术特点
? 7、工作频段灵活:使用免费频段分别为 2.4GHz(全球)、 868MHz(欧洲)以及 915MHz(美国),均为免执照频段。 ? 8、兼容性好:与现有的控制网络标准无缝集成。通过网 络协调器(Coordinator)自动建立网络,采用 CSMA-CA方 式进行信道存取。为了可靠传递,提供全握手协议。

? 9、安全性高:ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能, 加密算法采用 AES-128,同时各个应用可以灵活确定其安 全属性。 。
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ZigBee的应用
? ZigBee应用场合
? ? ? ? 监视 传感器 自动化 控制

工业、农业 和商业

消费电子

? ? ? ?

TV VCR DVD CD

PC 机的 外围设备 个人健康 监护
? ? ? 监视 诊断 传感器

低速无线设备

? ? ?

鼠标 键盘 操作杆

玩具和游 戏
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? ?

玩具 游戏器具

家庭 自动化

? ? ? ?

保安 HVAC 照明 门禁

ZigBee的应用
? ZigBee应用实例
结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络

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? ZigBee应用实例

ZigBee的应用

基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信

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ZigBee的应用
? ZigBee应用实例
基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络

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ZigBee的应用
? ZigBee应用实例
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案

6/25/2014 ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信

ZigBee的应用
? ZigBee应用实例
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案

6/25/2014

ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信

ZigBee的应用
? ZigBee应用实例
基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统

采用MESH网状网络结构,保证数据传输的可靠性。 每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点 一个小区设置一个ZigBee中心节点 6/25/2014 ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心

? ZigBee应用实例

ZigBee的应用

基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统

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ZigBee技术体系
?ZigBee的堆栈架构
应用层 应用支持子层 安全层 网络层
MAC层
用户

ZigBee 联盟

物理层
硬件实现

IEEE 802.15.4

– ZigBee堆栈是在 IEEE 802.15.4标准 基础上建立的,从 下往上依次是物理 层,MAC层,网络 /安全层,应用支 持子层,应用层。

ZigBee平台通信栈

应用层

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ZigBee技术体系
? ZigBee协议层作用
物理层 支持/应用层

MAC层

网络/安全层

作用:

物理层是协议的 最底层,承付着 和外界直接作用 的任务。 主要目的:控制 RF收发器工作 。
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作用:
负责设备间无 线数据链路的 建立、维护和 结束 确认模式的数 据传送和接收 。

作用:
建立新网络, 保证数据的传 输。 对数据进行加 密,保证数据 的完整性。

作用:
应用支持层根据 服务和需求使多 个器件之间进行 通信。 应用层主要根据 具体应用由用户 开发。

ZigBee技术体系
? ZigBee网络拓扑结构

网状型

星状

网络协调器 全功能设备(FFD,Router):可以支持 任何一种拓扑结构,可以作为网络 协商者和普通协商者,并且可以和 任何一种设备进行通信 精简功能设备(RFD):不能成为任何 协商者,可以和网络协商者进行通 信,实现简单。

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簇状型

ZigBee技术体系
? ZigBee网络设备类型
网络协调器:包含所有的网络消息,是3种设备类型中 最复杂的一种,存储容量最大、计算能力最强。发送网 络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点 信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 全功能设备(FFD):可以担任网络协调者,形成网络 ,让其他的FFD或是精简功能装置(RFD)连结,FFD 具备控制器的功能,可提供信息双向传输。 精简功能设备(RFD):RFD只能传送信息给FFD或 从FFD接收信息。

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ZigBee技术体系
? ZigBee网络设备类型
设备类型 拓扑类型 可否成为协调器 可以 不可以 通话对象 任何ZigBee设备 只能与协调器通话

全功能设备 星形,树形,网状 (FFD) 简化功能设 备(RFD) 星形

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络
MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能,网 络可以通过多级跳的方式来通信;该拓扑结构还可以组 成极为复杂的网络;网络还具备自组织、自愈功能。

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络

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ZigBee技术体系
? ZigBee网状网络

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ZigBee技术体系
? ZigBee通信可靠性保证
通信可靠机制
■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制,同时为需要 固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的 竞争和冲突;明晰的信道检测 ■MAC层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数 据包都必须等待接受方的确认信息。

网络的自组织自愈能力强
■ZigBee的自组织功能:无需人工干预,网络节点能够感 知其他节点的存在,并确定连结关系,组成结构化的网络; ■ZigBee自愈功能:增加或者删除一个节点,节点位置发 生变动,节点发生故障等等,网

络都能够自我修复,并对网 络拓扑结构进行相应的调整,无需人工干预,保证整个系统 仍然能正常工作。 6/25/2014

ZigBee的发展前景
? ZigBee的前景
尽管ZigBee在出现伊始就以其低功耗,数据传输可靠 ,网络容量大,安全可靠以及低成本等一系列令业界欢 欣鼓舞的面貌示人,然而这种主要用于室内的无线网络 通信技术却并没有太多的机会来让其所具有的种种优点 物尽其用。不久前,市场调研公司In-Stat发布的一份 报告就指出,目前,ZigBee的开发以大厦自动化设备 、产业、医疗及家庭自动化等领域为目标。尤其在自动 仪表领域,ZigBee拥有很高的关注度。In-Stat预测, 支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片组的合计供货量 到2011年将从06年的500万个增至1亿2,000万个。 但在家电市场,由于竞争技术较多,ZigBee得以普及 的可能性很低,发展前景难以预料。
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ZigBee的发展前景

? ZigBee的市场现状以及前景

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三 : ZigBee技术及其应用

ZigBee技术及其应用低压电器(2005№

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

7)

计算机及PLC应用

ZigBee技术及其应用

江修波

(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州 350002)

摘 要:介绍了具有低速率、低成本、低功耗的特点,基于IEEE802.15.4的无线通信协议———ZigBee及其技术,阐述了ZigBeeMesh的主要技术特征和组网方式,并综述了ZigBee技术在家居控制、楼宇自动化和工业自动化领域的应用特点。[www.61k.com)

关键词:ZigBee技术;Mesh网络;家居控制;楼宇自动化;工业自动化

中图分类号:TP393.03 文献标识码:A 文章编号:25531()03

者:江修波

(2),男,讲师,

主要研究方向为电

ZigBeeX工电子新技术及其应用。

andAutomation,Fuzhou350002,China)

Abstract:BasedonIEEEStandard802.15.4,withcharacteristicsoflow2rate,low2cost,andlow2power,the

wirelesscommunicationprotocolZigBeewasintroduced,themaintechnicalfeaturesandconfigurationmodeofZigBeeMeshwereexpounded,theapplicationspecialitiesofZigBeeinhomecontrol,buildingautomationandindustryautomationweresummarizedinthispaper.

Keywords:ZigBeetechnology;Meshnetwork;homecontrol;buildingautomation;industryautoma2tion

0 引 言

为满足小型、低成本设备的无线联网要求,

2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组,致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术———ZigBee技术。ZigBee联盟成立于2002年8月,由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司组成,迄今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公司及产品开发商,将主要侧重于:①定义网络、安全以及应用软件层的协议;②为ZigBee设备提供互操作与一致性测试;③促进ZigBee技术在全球的推广;④有效管理该技术的发展。

ZigBee是一种低使用成本、商业型的应用技术,其无线装置减少了传统电气工程施工费用,解决了现场安装困难的问题;其采用数字技术,消除了传统无线技术的不可靠性及其他技术问题。因此,随着ZigBee技术的不断完善,它将成为当今最先进的数字化无线技术。

1 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4的无线通信协

议,它是一种短距离、低功耗协议,专用于小型设备如温度调节装置、照明控制器、镇流器、环境检测传感器与医疗设备等,其低功耗可使设备电池使用寿命达到6个月至2年。

一个基于ZigBee的无线个域网(WPAN)能支持高达254个节点,外加一个全功能器件,即可实现双向通信。ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特点决定了ZigBee技术适于承载数据量较小的业务。1.1 ZigBee协议结构

ZigBee的协议结构如图1所示,它由高层应用规范、会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议,其余协议主要参照和采用现有的标准。1.2 物理层

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

IEEE802.15.4定义了2.4GHz和868/915

—27—

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zigbee技术 ZigBee技术及其应用

低压电器(2005№7)ZigBee

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

技术及其应用

915MHz频段(902~928MHz)被划分为10

个信道,数据传输速率为20kb/s;868MHz频段(868.3MHz)有1个信道,数据传输速率为20kb/s,码元速率为20kbuad。[www.61k.com)

上述波段均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制,用码片长度为15的M序列直接扩频。1.3 MAC层IEEE802路控制(LogiL和媒介接入控

图1 ZigBee的协议结构

MHz两个物理层,它们基于直接序列扩频(DSequenceSpreadSpectrum,DSSS),两

制(个子层。其I.6中定义为IEEE802,而MAC子层协议依赖于各自的物理层。

IEEE802.15.4的MAC层支持多种LLC标准,通过SSCS(Service—SpecificConvergenceSub2layer)业务相关会聚子层协议承载IEEE802.2类型的LLC标准,且允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4MAC层的服务。

者的区别在于工作频率和传输速率。

ZigBee2所示,其中前

导码4Byte,主要用于前导同步;分组定界1Byte,标志分组的开始;物理层头1Byte,表示数据单元的长度;数据单元用于承载传输数据

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

考虑到ZigBeeMAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗,因此采用了简单灵活的协议,其帧有4种类型:数据帧、标志帧、命令帧和确认帧,其一般

图2 ZigBee物理层分组结构

结构如图3所示

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

(1)2.4GHz频段。该频段为全球统一无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生

产成本的降低。该频段物理层通过采用高阶调制技术,可获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更省电。

该频段(2.4~2.483GHz)被划分为16个信道,数据传输速率为250kb/s,码元速率为62.5kbaud,采用16进制正交调制,并用码片长度为8

图3 ZigBee帧结构

的伪随机码直接扩频。

(2)868/915MHz频段。为了避免干扰,欧洲还采用868MHz频段,美国采用915MHz频段作为ZigBee的工作频段。上述这些频段比较相近,对信号合成器的程序稍作改动,就可使用相似的硬件,从而降低生产成本。

上述频段无线信号传播损耗较小,可降低对接收机灵敏度的要求,获得较远的通信距离,即可用较少的设备覆盖较大的区域。—2

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zigbee技术 ZigBee技术及其应用

8—

ZigBee采用载波侦听多址/冲突(CSMA/CD)的信道接入方式和完全握手协议,其数据传输方式如图4所示。

1.4 ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee支持3种通信设备的网络拓扑,即Star、Mesh和ClusterTree。其中,Star(星形)网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;Mesh网络是一种高可靠性检测网络,它通过无线网络连接可提供多个数据通信通道,即它是一个高级别的冗余性网络,一旦设备数据通信发生故障,则存在另一个路径可供数据通信;ClusterTree网络是Star/Mesh的混合型拓扑结构,结合了上述两种拓扑结构的优点。

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zigbee技术 ZigBee技术及其应用

ZigBee技术及其应用低压电器(

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

2005№

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

7)

2 ZigBee技术的应用

ZigBee技术目前已在家居控制、楼宇自动化

与工业自动化等领域得到初步的应用,在上述领域的应用特点综述如下。(www.61k.com)2.1 家居控制

(1)控制功能。可灵活地管理家庭内部任何位置的照明、供热及空调系统,并通过自动控制家

图4 ZigBee数据传输方式

以下介绍基于Mesh的ZigBee组网技术(见

图5)

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

居系统以改善其节能、。

(2)、自来水及燃,。

(。不需导线就可安装、升级或组成家居控制系统,并可由单一的远程控制装置管理多个系统的运行。

(4)安全性。无线传感器易于安装且可监控各种环境参数,并可自动监测异常事件报警信号。2.2 楼宇自动化

(1)控制功能。可一体化集中管理照明、暖

图5 基于Mesh的ZigBee组网

由图5可知,在Mesh网络中有3种类型的

ZigBee设备:

(1)简化功能器件(ReducedFunctionDe2vice,RFD)。RFD在Mesh网络中作为源节点,只发送与接收信号,并不起转发器/路由器的作用。

(2)全功能器件(FullFunctionDevice,FFD)。在Mesh网络中,FFD是具有转发与路由能力的节点。如FFD的信息传输路由失效或脱离网络,则将有另一个邻近的FFD节点快速地承担起数据传送至目的地的作用。因此,ZigBeeMesh是自构或自愈型网络,其节点间是完全握手方式,使得信号可准确及成功地到达适当的目的地。

(3)网络主机或网关。ZigBee还支持第3种

通空调与安防系统,并通过自动控制楼宇系统以改善其节能、便利及安全性。

(2)节能。通过优化管理暖通空调以达到节省能源消耗的目的,并基于现场实际消耗数据实现准确的用户能耗数据计量。

(3)便利性。可快速重构照明系统以满足现场办公及工作区域的需要,并可方便地实现楼宇系统架构的扩展与升级。

(4)安全性。通过多个传输路由实现控制点数据的网络化与集成化管理,并采用无线网络提高信号数据传输可靠性。2.3 工业自动化

(1)控制功能。可靠地扩展现有制造业或过程控制系统,并通过持续监控关键设备提高对设备资产的管理。

(2)节能。通过优化制造业过程控制达到节省能源消耗的目的,并可诊断出性能恶化或运行效率低下的设备。

(3)效率。采用远程传感器数据自动采集,可减少对系统的运行干扰,并可提供详细的运行数据,提高预防性维护效率。

(下转第33页)

节点,即网络主机或网关节点,起到与外部系统接口或协调与其他Mesh网络的路由作用。

由图5可以看出,一个信号由左上角的RFD产生,路经4个FFD,最终达到Gateway网关。图中的细线表示还有可能的信号传输路径。

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基于DSP和CPLD的开关磁阻电动机数字控制器低压电器(2005№

zigbee技术 ZigBee技术及其应用

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图5 电流定时斩波仿真波形

5 结束语

利用DSP和CPLD数字控制器,实时性的要求,点。[www.61k.com)CPLD技术的不断发展,将逐步实现电动机控制系统的无CPU纯硬件设计。

【参考文献】

[1] 刘迪吉,张焕春,傅丰礼,等.开关磁阻调速电动机

[M:1994.

,蒋鹗,等.开关磁阻电动机的控

[J].电气传动,1997,5:10~13.

] 王宏华.开关磁阻电动机调速控制技术[M].北

京:机械工业出版社,1998.

[4] 宋万杰.CPLD技术及其应用[M].西安:西安电子

科技大学出版社,1999.

[5] ChooYB.ADesignMethodforHighEfficiencyof

SRMDrive[C].567.

IPEMC94/Beijing,1994.564~

收稿日期:2005205230

(上接第29页)

(4)安全性。采用实时监控网络可提高系统

的安全性,其实时性数据采集还可提供符合性报表。

【参考文献】

[1] GuyZebrick.ZigBeeorNotZigBee[DB/OL].

http://www.automatedbuildings.com/

[2] WilliamSandoval.TheZigBeeRevolution[DB/OL].

http://www.automatedbuildins.com/

[3] PatrickKinney.ZigBeeTechnology:WirelessControl

thatSimplyWork[DB/OL].http://www.zigbee.org/en/resources

[4] 王全平,王 莉.ZigBee技术简析[J].通讯世界,

2003,(4):41~43.

3 结束语

ZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率

无线通信市场的空白,其使用的便捷性是该技术

成功的关键,它适用于短距离小范围的基于无线通信的控制领域,将在家居控制、楼宇自动化和工业自动化等领域得到广泛的应用。

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收稿日期:2005202221

第三届国家期刊奖

全国中文核心期刊   中国学术期刊光盘版  中国科技论文统计用刊

中国科学引文数据库来源期刊  中国学术期刊综合评价数据库来源期刊

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四 : ZigBee定义及技术 运用范围

ZigBee定义及技术 运用范围

ZigBee定义及技术 运用范围的参考答案

Zigbee是部署无线传感器网络的新技术.它是一种短距离、低速率无线网络技术,是一种介于无线标记技术和BlueTooth之间的技术提案.Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时,通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴,达到交换信息的目的.借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术.

ZigBee联盟成立于2001年8月,2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱、美国摩托罗拉以及荷兰飞利浦等四大公司加盟ZigBee,这一事件成为ZigBee技术的里程碑.目前联盟的成员涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业.从2004年底标准确立,到2005年底,相关芯片及终端设备总共卖出了1500亿美元.观察家们预计,到2008年,ZigBee的节点数量将从目前不到1百万个骤增至1亿个.

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