傳感器與無線傳感網(wǎng)絡5.1ZigBee介紹課件

1、傳感器和無線傳感網(wǎng)絡第1頁，共17頁。01ZigBee介紹02利用傳感器數(shù)據(jù)變化控制LED的亮滅第五章 目錄03基于BasicRF實現(xiàn)人體狀態(tài)采集04基于BasicRF實現(xiàn)光照值采集基于Z-Stack協(xié)議棧采集數(shù)字量傳感器實驗05基于Z-Stack協(xié)議棧組網(wǎng)實驗06第2頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標準規(guī)定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳

2、遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。1. ZigBee簡介第3頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee 其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規(guī)定。Zigb

3、ee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術方案。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。1. ZigBee簡介第4頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee1）低功耗 在工作模式下，ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短。其次，在非工作模式情況下，ZigBee的節(jié)點處于休眠狀態(tài)。設備搜索延遲一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備接入信道時延為15 ms

4、。由于工作時間較短，收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點非常省電。ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達6個月到2年左右，對于某些占空比（工作時間/（工作時間+休眠時間）小于1%的應用，電池的壽命甚至可以超過十年。相比較藍牙僅能工作數(shù)周，WIFI僅可工作數(shù)小時。2. ZigBee特性1第5頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee2）低成本通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格

5、大約為2美元。3）低速率 ZigBee工作在20250kbps的速率，分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。2. ZigBee特性23第6頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee4）低距離 傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到13km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。5）短延時 ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)

6、省了電能。相比較，藍牙需要310s、WiFi 需要3 s。2. ZigBee特性45第7頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee6）高容量 ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使得它非常適宜支持簡單器件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡化功能器件（RFD）。對于全功能器件，要求它支持所有的49個參數(shù)。而對于簡化功能器件，在最小配置時只要求他支持38個參數(shù)。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話， 可以按3種方式工作，分別是個域網(wǎng)協(xié)調器、協(xié)調器或器件。而簡化功能器件只能與全功能器件通話，僅用于非常簡單的應用。一個ZigBe

7、e的網(wǎng)絡節(jié)點最多包括有255個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，其中有一個是主控（Master）設備，其余則是從屬（Slove）設備。若是通過網(wǎng)絡協(xié)調器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡可以支持超過64000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點，再加上各個網(wǎng)絡協(xié)調器可以相互連接，整個ZigBee的網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目將是十分可觀。2. ZigBee特性6第8頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee7）高安全 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能。在數(shù)據(jù)傳輸過程中提供了三級安全性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供了足夠的安全保護，器件

8、就可以選擇這種方式來轉移數(shù)據(jù)。對于第二級的安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件來獲取數(shù)據(jù)，在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用AES的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法用戶。8）免執(zhí)照頻段 使用工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國), 868MHz(歐洲), 2. 4GHz(全球) 。2. ZigBee特性78第9頁，共17頁。第五章5.1ZigBee介紹5.1.1 什么是ZigBee9）數(shù)據(jù)傳輸可靠 ZigBee的媒質傳入控制層（MAC層）采用talk-when-ready的碰撞避免機制。在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機

9、制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻發(fā)送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)分組都必須等待接收方的確認消息，并進行確認信息回復。若沒有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了沖突，將重傳一次。采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳送的可靠性。ZigBee為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時競爭和沖突。同時，ZigBee針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。2. ZigBee特性9第10頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigBee的應用1. 智能家居5.1ZigBee介紹 家里可能都有很多電器和電子設備，如電燈、電視機、冰箱、洗衣機、電腦、空調等等，可能還有煙霧感應、報警器和攝像頭等設備，以

10、前我們最多可能就做到點對點的控制，但如果使用了ZigBee技術，可以把這些電子電器設備都聯(lián)系起來，組成一個網(wǎng)絡，甚至可以通過網(wǎng)關連接到Internet，這樣用戶就可以方便的在任何地方監(jiān)控自己家里的情況，并且省卻了在家里布線的煩惱。工業(yè)控制：工廠環(huán)境當中有大量的傳感器和控制器，可以利用ZigBee技術把它們連接成一個網(wǎng)絡進行監(jiān)控，加強作業(yè)管理，降低成本。第11頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigBee的應用5.1ZigBee介紹智能家居系統(tǒng)中使用zigbee技術的優(yōu)點和缺點：組網(wǎng)方面。zigbee智能家居系統(tǒng)的主要特點是支持自組網(wǎng)能力強，自恢復能力強。同時zigbee智能家居系統(tǒng)支持多達650

11、00個節(jié)點，擴展能力超強。但在實際的居家環(huán)境中，一個別墅的所有控制設備也不會超過200個。因此，綜合來看組網(wǎng)能力上，zigbee智能家居系統(tǒng)算是優(yōu)點。價格方面。智能家居產品在國內不普及的一個重要因素就是價格，以往總線智能家居系統(tǒng)動輒幾十萬的費用，可不是普通消費者能夠承受的起的。目前國際一線廠家的ZIGBEE芯片成本均在12元人民幣左右，再加上其他外圍器件和相關2.4G射頻器件，一款智能家居產品的原始成本就要幾十元人民幣。所以綜合來看，其成本應該是缺點。穩(wěn)定性方面。目前國內Zigbee技術主要采用ISM頻段中的2.4G頻率，受限于頻段物理限制，其信號干擾程度極為嚴重，衍射能力弱，穿墻能力也弱。實

12、際環(huán)境中，一堵墻，一扇門也會讓信號大打折扣。容易造成不穩(wěn)定，影響用戶體驗。第12頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigBee的應用2. 自動抄表5.1ZigBee介紹 抄表可能是大家比較熟悉的事情，像煤氣表、電表、水表等等，每個月或每個季度可能都要統(tǒng)計一下讀數(shù)，報給煤氣、電力或者供水公司，然后根據(jù)讀數(shù)來收費?，F(xiàn)在在大多數(shù)地方還是使用人工的方式來進行抄表，逐家逐戶的敲門，很不方便。而ZigBee可以用于這個領域，利用傳感器把表的讀數(shù)轉化為數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡把讀數(shù)直接發(fā)送到提供煤氣或水電的公司。使用ZigBee進行抄表還可以帶來其它好處，比如煤氣或水電公司可以直接把一些信息發(fā)送給用戶，

13、或者和節(jié)能相結合，當發(fā)現(xiàn)能源使用過快的時候可以自動降低使用速度。第13頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigBee的應用3. 醫(yī)療監(jiān)護5.1ZigBee介紹 電子醫(yī)療監(jiān)護是最近的一個研究熱點。在人體身上安裝很多傳感器，如測量脈搏、血壓，監(jiān)測健康狀況，還有在人體周圍環(huán)境放置一些監(jiān)視器和報警器，如在病房環(huán)境，這樣可以隨時對人的身體狀況進行監(jiān)測，一旦發(fā)生問題，可以及時做出反應，比如通知醫(yī)院的值班人員。這些傳感器、監(jiān)視器和報警器，可以通過ZigBee技術組成一個監(jiān)測的網(wǎng)絡，由于是無線網(wǎng)絡 傳感器之間不需要有線連接，被監(jiān)護的人也可以比較自由的行動，非常方便。第14頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigB

14、ee的應用5.1ZigBee介紹ZigBee網(wǎng)絡技術用于醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)的優(yōu)勢：高效率。相比于傳統(tǒng)的醫(yī)療器械成套、獨立、完成對不間生理數(shù)據(jù)的監(jiān)側工作量大的特點。ZigBee網(wǎng)絡技術通過傳感器技術設計可以對被監(jiān)護者的生理數(shù)據(jù)進行實時、統(tǒng)一的監(jiān)側針對不間情況，采取相應的措施，提高了醫(yī)療監(jiān)護的效率。廣覆蓋。ZigBee網(wǎng)絡中技術通過節(jié)點間的相互接力可以擴大通信范圍。低功耗。ZigBee網(wǎng)絡技術其有低功耗的特點，加之網(wǎng)絡中的設備節(jié)點自身能耗低兩節(jié) 5 號干電池便可提供節(jié)點一至兩年工作能量。低成木。在醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中應用ZigBee網(wǎng)絡技術比現(xiàn)有的一些醫(yī)療設備成本低、教據(jù)傳輸速率低、易于普及和推廣，也更易進人普通家庭。便攜帶。ZigBee網(wǎng)絡技術中的節(jié)點可設計成徽型化的節(jié)點如標簽或腕表等類型便于被監(jiān)護者攜帶。第15頁，共17頁。第五章5.1.2 ZigBee的應用4. 電信應用5.1ZigBee介紹 在2006年初的時候，意大利電信就宣布她研發(fā)了一種集成了ZigBee技術的SIM卡，并命為“ZSIM”5。其實這種SIM卡只是把Z