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   关于工业自动化应用Zigbee 技术讨论的若干问题的回复
版主在网上介绍了Zigbee技术后，我们收到了许多来信来函，问到有关Zigbee技术的若干问题？
我们准备分几次答复，现将部分问题答复如下

1．    Zigbee是怎麽来的？
2．    Zigbee到底是什麽？
3．    Zigbee的传输速率有多块？
4．    Zigbee技术为什麽要使用网状网通信方式?
5．    什麽是自动组网？
6．    什麽是动态路由？
7．    Zigbee采用直序扩频通的信方式有什麽好处？
8．    Zigbee使用的是2.4G免费频段，这是什麽意思？
9．    Zigbee是否只适合于近距离通信？
10．    由于Zigbee网络仅只是一个局域网，如果我们想要实现远距离遥测遥控怎麽办？
11．    为什麽说Zigbee技术主要是应当今工业自动化，对可靠的无线数据传输日益增长的需求而产生的？
12．    Zigbee 和现有移动网（GPRS，CDMA-1X）有什麽差别？
13．    Zigbee和现有的数传电台又有什麽区别？
14．    我们作为一般用户，如何利用Zigbee来解决我们的具体问题？
15．    Zigbee网络传输的可靠性和稳定应如何？

1. Zigbee来源于兰牙：
　　在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，……而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

2. Zigbee就是一个属于你自己的高可靠的无线数传网络：
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。

　　不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币;每个Zigbee 网络节点不仅本身可以与监控对对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料; 除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

　　每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。可以采集和传输数字量和模拟量。

　  Zigbee技术的应用领域：
　　Zigbee技术的目标就是针对，工业，家庭自动化，遥测遥控，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。

　　工业现场对无线数据传输的要求及Zigbee 技术的特点：
　　 低功耗，低数据量（250KPS）,低成本，使用免费的ISM频段（2.4G）,高的抗干扰性能的直序扩频通信方式(DSSS)，高保密性(64位出厂编号和支持AES-128加密)，高集成度和高的可靠性；节点模块之间具有自动动态组网的功能，采用了包括网状网在内的拓扑结构，使用了碰撞避免机制，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

　　Zigbee的发展前景：
　　 Zigbee技术和RFID 技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。关于这方面的报道，你只需在百度，或GOOGLE搜索栏中键入“Zigbee”,你就会看到大量的有关报道。总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。
　　
　　Zigbee技术在我国的应用情况：
　　 尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这们新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee 本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，提供针对工业现场具体应用的各种不同距离的Zigbee网络模块（包括接口软件）,并成功地用于解决几个工业领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。

3．Zigbee网络的数据传输速率：
Zigbee每个网络模块射频前端的数据传输速率是250K, 而控制端数据处理速率，则取决于所使用的CPU的处理速度。　　

4．Zigbee技术为什麽要使用网状网通信方式：
网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

5．什麽是自动组网：
举一个简单的例子就可以很好地说明这个问题，假如一队伞兵从天而降，他们每人持有一个Zigbee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的Zigbee网络。他们预先并不知道谁与谁为邻。同时，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。

6．为什麽网络要采用动态路由的方式：
首先，我们必须明白，什麽是动态路由？动态路由，就是指网络中数据传输的路径，并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，并决定它们的远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据包送达目的地为止。在实际工业现场，往往预先确定的传输路径，随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状网拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

    7．Zigbee采用直序扩频的通信方式有什麽好处？
同样的频段，不同的通信方式则有很大的差别,例如ASK,FSK,FHSS,DSSS等，从抗干扰能力，通信安全保密性，可靠性都不相同。Zigbee系统和CDMA系统一样，都采用的是直序扩频技术（DSSS),它是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。如果你使用过这两种技术的通信产品，你会发现两者在可靠性上有着明显的不同。
　　由于扩频技术在正常通信时所要求的信噪比可以很低，就是说，在干扰很强的环境下，它仍然能够正常工作。根据计算和实验，这相当于它的接收灵敏度提高了7dBm. 它也不容易干扰别人。换句话说，它可以使用较低的功率传输更远的距离。关于Zigbee所采用的直序扩频技术的其它许多优点这里不再讨论。下面我们引用与扩频技术优越性有关的一些资料说明，供各位参考：
　　　　
　　CDMA 是继世界上推出数字通信技术之后，1995年又推出的一种新型数字蜂窝技术，它利用数字传输方法，采用扩频通信技术，大幅度地提高了频率利用率，具有容量大、覆盖范围广、手机功耗小、话音质量高的突
出优点，将移动通信技术推向发展新阶段。CDMA（码分多址连接）蜂窝系统与FDMA（频分多址连接）和TDMA（时分多址连接）系统相比，CDMA系统具有以下突出优点：
　　
　　 １．抗干扰性能好 由于CDMA 经过扩频处理，故抗干扰性能好，可和同频带的窄带共存，而不影响其正常工作。
　　
　　 ２．抗多径衰落能力强 多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题，通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服，还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用多径信号提供路径分集，这样不但缓和瑞利衰落，而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落，从而大大提高通信质量。
　　
　　 ３．系统容量增大 对于FDMA与TDMA，若小区的频点或时隙一分配完，则小区就不能接收新的呼叫， 容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统，在指定的干扰电平下，即使用户数已达到限定数目时，也还允许增加个别用户，其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比要求，而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FM/FDMA方式的20倍。
　　
　　 ４．通信质量好CDMA系统采用直接序列扩频技术，综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分
集等多种分集技术克服多径效应，可以获得很强的抗干扰能力，加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切换技术，保证了CDMA的通信质量，特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比，波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音和数据传输。
　　
　　 ５．频率利用率高CDMA系统的同一频率，可以在所有小区内重复使用，其频率复用率为2/3（FDMA和TDMA的频率复用率为1/7），不需要FDMA和TDMA那样进行频率配置，大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。
　　
　　 ６．多址能力强CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小，它与使用的扩频编码方案有关，与同时发送信号的用户间的多址干扰（即扩频编码的相关特性）有关，与允许的接收质量有关（输出信噪比），因此同时工作用户间的多址干扰越低，能允许的接收质量越低，CDMA技术的多址能力就越强。
     ７．高度可靠的保密安全性CDMA移动通信系统是一个保密通信系统，若再加一定的加密算法技术，能大大提高通信保密性能，这是FDMA、TDMA系统所无法比拟的。分析其采用的扩频系统，要想截获别人的通信内容几乎是不可能的，如只要机内锂电池不放完电，它以512KHz的时钟频率加以改变其序列的即时状态，即使是连续工作，它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等，使通信的保密性更为可靠。
　　 ８．手机功耗小CDMA采用功率控制后，仅在衰落期间调高发射功率电平，从而使平均发射功率减小，FDMA的最小功率为5mW、平均发射功率为794 mW、峰值功率为3W，而CDMA的最小功率为2.3mW、平均发射功率为5 mW、 峰值功率为100 mW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低，从而使系统容量增加，减少了小区数和降低设备成本。

8．Zigbee使用的是2.4G免费频段，这是什麽意思：
在我国和世界上大多数其他国家，一般使用无线电设备都是要付频率使用费的，包括手机通信，只不过移动运营商已经向国家支付了这笔费用，并通过号码占用费等方式向用户收取了这笔费用。在使用其它无线设备时，你首先要向国家相关部门申请频率使用许可，然后根据你的无线设备所使用的频率，功率大小和数量收取费用。这是一笔不小的费用，一般设备一年往往要交纳几千元的费用。而免费频段，是指各个国家根据各自的实际情况，并考虑尽可能与世界其他国家规定的一致性，而划分出来的一个频段，专门用于工业，医疗以及科学研究使用（ISM频段），不需申请而可以免费使用的频段。我们国家的2.4G频段，就是这样一个频段。然而，为了保证大家都可以合理使用，国家对该频段内的无线收发设备，在不同环境下的使用功率做了相应的限制。例如在城市环境下，发射功率不能超过100mW. 为了增加通信距离，而又要不超出国家对发射功率的限制，成都西谷曙光开发出了具有高接受灵敏度的，通信距离可达2公里以上的网络模块。从而大大扩展了Zigbee网络的适用范围。

9. Zigbee是否只适合于近距离通信？

距离不是问题，除了我们每个节点模块可以通过提高接收灵敏度，和发射功率来增加节点间的通信距离外，我们的整个网络还可以通过增加网络节点数量，向外“无限”延伸扩展开来。但当你追求远距离时存在两个问题：
1。你的发射功率要增加，耗电量自然要增大，当你使用电池寿命自然要变短，除非你有电源供电；
2。尽管2.4Ghz是免费频段，但如果你在城市中使用，国家无委会仍然有一个最大使用功率的限制。当然不在城市中使用另当别论。
在满足国家无委会规定的情况下，我们通过同时提高接收灵敏度和发射功率的办法，使得我们的网络节点模块的覆盖距离仍然可以达到2-5 公里。（此时的最大发射电流为230mA)
    
10. 由于Zigbee网络仅只是一个局域网，如果我们想要实现远距离遥测遥控怎麽办？
Zigbee 网络还可以通过接口卡等多种方式，与互联网，GPRS网,CDMA1x 网以及其它通信系统线连接，从而实现远程操控。你也可以通过其它网络，将两个或多个局部Zigbee 网络连接在一起。

11．为什麽说Zigbee技术主要是应当今工业自动化，对可靠的无线数据传输日益增长的需求而产生的？

Zigbee技术本身，就是因为兰牙技术不能满足工业自动化中，对低数据量，低成本，低功耗，高可靠性的无线数据通信的需求而产生的。因为，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。Zigbee 技术中，使用网状网拓扑结构，自动路由，动态组网，直序扩频的方式。就是为了满足工业自动化控制现场的这种需要。

12. Zigbee 和现有移动网（GPRS，CDMA-1X）的比较：

　　1． 无网络使用费：使用移动网需要长期支付网络使用费，而且是按节点终端的数量计算的，而Zigbee没有这笔费用；
　　2． 设备投入低：使用移动网需要购买移动终端设备，每个终端的价格在人民币1000元上下，而使用Zigbee 网络，不仅Zigbee网络节点模块（相当于基站）费用每只人民币不到1000元，而且，主要使用的网络子节点（相当于手机）的价格还要低得多；
　　3． 通信更可靠：由于现有移动网主要是为手机通信而设计的，尽管CDMA-1X和GPRS可以进行数据通信，但实践发现，不仅通信数率比设计速率低很多，而且数据通信的可靠信，连续性在许多情况下也得不到保证。而Zigbee网络则是专门为控制数据的传输而设计的,因而控制数据的传输具有相当的保证。
　　4． 高度的灵活性和低成本：首先，通过使用覆盖距离不同,功能不同的Zigbee网络节点，以及其它非Zigbee系统的低成本的无线收发模块，建立起一个Zigbee局部自动化控制网，再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控；
　　5． 比起现有的移动网来，尽管Zigbee仅仅只是一个局域网，但通过供足够的数据出口，它可以“无限”扩大它的覆盖范围，而且可以与现有的移动网，互联网和其它通信网络相连接。并通过这些网络将许多个Zigbee局域网相互连成为一个整体。有效的解决移动网的盲区覆盖问题：我们知道，现有移动网络在许多地方存在盲区，特别是铁路，公路，油田，矿山等野外，更是如此。而增加一个移动基站或直放站的费用是相当可观的，此时使用Zigbee网络进行盲区覆盖不仅经济有效，而且往往是现在唯一可行手段。

13. Zigbee与现有数传电台的比较：
　　1． 可靠性高：由于Zigbee模块的集成度远比一般数传电台高，分离元器件少，因而可靠性更高；
　　2． 使用方便安全：因为集成度高，比起一般数传电台来，Zigbee收法模块体积可以做得很小，而且功耗低，例如成都西谷公司远距离传输模块（2-5公里），最大发射电流比一个CDMA手机还要小许多，因而很容易集成或直接安放在到设备之中，不仅使用方便，而且在户外使用时，不容易受到破坏；并向用户提供Zigbee无线网络平台的演示/应用套件,和具体应用开发资料。
　　3． 抗干扰力强，保密性好，误码率低：Zigbee收发模块使用的是2.4G 直序扩频技术，比起一般FSK, ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力，和更远的传输距离；
　　4． 免费频段：Zigbee使用的是免费频段，而许多数传电台所使用的频段不仅需要申请，而且每年都需要向国家无委会交纳相当的频率使用费。
　　5． 价格低： Zigbee数传模块的价格只有具有类似功能的数传电台的几分之一；(2.4G,250kps,3-5公里距离DSSS 数传模块每只不到1000元人民币)
　　
14. 一般用户怎麽来利用这个新技术：

对于大多数用户而言，要他们自己组织队伍去研究Zigbee, 弄清楚Zigbee的原理和它到底是怎麽工作的，显然不太现实。正因此，需要有人来搭建这样一个平台，使得大多数用户，不需要了解这些细节，仅仅将它当作一种工具来使用就行了。就像使用GPRS/CDMA1X网络的用户一样（最好是更加简单方便），你不需要知道数据是如何在网络中进行传输的，你只需要知道如何使用这个网络，以及有哪些限制即可。
成都西谷曙光数字技术有限公司，已经为广大用户搭建了这样一个平台。用户只需将他们的计算机通过西谷公司提供的RS232接口（或485接口）和接口协议，与西谷公司提供的网络模块相联接，再将远端的受控终端（包括各种仪器设备传感器等）通过西谷公司提供的RS232接口，以及开关量和模拟量接口，与西谷公司的模块相连就可以工作了，你所要做的工作，就是利用这个通信平台，编辑你的上层界面控制管理软件，并根据你远端受控仪器设备，传感器的具体特殊要求，协调，必要时适当更改接口连接即可。

 　　
　　 为了让大家能更快的上手，从而大大缩短你系统集成的时间，迅速给你带来实际经济效益。成都西谷曙光数字技术有限公司专门向用户提供Zigbee无线网络平台的演示/应用套件,和具体应用开发培训。
　　
　　这个套件包括：
　　
　　1). 5个标准的演示/应用模块（每个模块已经安装有网络管理软件），
　　2). Zigbee网络功能演示软件（Ember公司），
　　3). 每个模块提供两个USART接口；
　　4). 一个标准的串口通信协议，用于将应用模块与你的计算机以及远端的受控仪器设备，以及精度要求超过8位模拟量的传感器相连；
5). 开关量和4路8位精度的模拟量接口；
　　
　　 利用这个套件，你可以完全按照有线网络连接来编制你的应用程序；将实际上的无线网络，当作一个一般的有线网络来加以利用。就像你使用GPRS CDMA-1X 网络终端模块一样，你不需要你的数据是怎样在Zigbee网络中路由中转最后到达目的地的。
　　
　　这个套件，具有如下演示功能：
　　1． 演示Zigbee网络本身所具有的自动动态组网功能；
　　2． 演示网络中数据传输自动路由，以及数据如何在网络中传输的功能；
　　3． 显示网络无线链路连接状况，以及每个网络节点实际数据传输统计的功能，；
　　4． 演示整个网络的多种数据采集功能；
　　5． 演示控制中心对远端网络节点的控制功能；
　　6． 更重要的是，它除了具有如上的演示功能外，它还可用于实际网络布置中检查无线链路连接状况，对现场网络节点的具体布置效果进行评估和调整。这个套件中的每个模块提供两个USART接口，供用户直接编写自己的应用程序和它用。这样，用户可根据自己实际应用的需要，确定所需的网络节点数量和远端的具体设置后，就可以编写具体应用程序软件。一当你的软件开发工作完成后，就可以直接使用我们提供的标准模块进行现场安装设置后，就可以工作了。

我们的网络模块提供有适合大多数工业现场应用的RS232接口通信协议，波特率可为：19.2K及38.4K. 可与计算机相连；对于与传感器和其它控制终端的连接，我们的模块还提供有：
1．  两种通信接口：TTL 和 RS232；
2．  数字开关量接口；
3．  4路8位单端模拟量接口
针对模拟量精度高于8位的传感器和仪器仪表终端，用户需要另外使用一个CPU 对模拟量进行处理后，通过我们提供的RS232接口与我们的网络模块相接。
　　
　　 整个演示/应用套件的售价：
　　 只有4950元人民币。额外的模块价格为每只650元人民币。如果需要远距离3-5公里（高增益天线）覆盖距离的演示模块，每只需要另外加上350元人民币。
　　
　　 提供低成本，高可靠性的无线数传互联网平台（包括软件和硬件）,以及相关培训和技术支持，以满足不同客户的具体需要，就是西谷公司的服务宗旨。

15．Zigbee网络传输的稳定性和可靠性：

    你的担心是很正常的，说明你是熟悉工业现场。因为许多无线产品可能在实验室或其它地方工作很好，但往往在工业现场因为干扰的原因就不能正常工作，或者不能满足工业现场可靠性的要求。
然而，Zigbee技术的产生就是针对工业现场的应用，因此，它在几个方面不同于其它无线产品：
1.高度集成，很少分离元器件，因而从硬件上提高了系统的可靠性；
2.使用了抗干扰能力极强的直序扩频通信方式；
3.采用了网状网和动态组网以及自动路由的方式，保证了信息的传输不会因为某个通道出现问题而失败。
4.另外在网络中，信息的传输还采用了碰撞避免机制，......
因而，Zigbee技术在传输的稳定性和可靠性上是值得信赖的。

另外，美国传感器协会还专门针对Zigbee成立了协调组织，以形成一个统一的与Zigbee网络相接的统一标准。
目前，我们公司所提供的Zigbee网络模块接口，除了适合大多数工业现场应用的RS232接口及通信协议外，还提供有开关量，和模拟量的接口。