典型無線傳輸ZigBee技術及應用

ZigBee技術與應用《典型無線傳輸技術應用》課程教學資源9/2/2023ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術特點

3.

ZigBee的應用

4.

ZigBee的技術體系結構

5.ZigBee技術中的基本概念9/2/2023什么是ZigBee技術ZigBee技術是以IEEE802.15.4標準為基礎，發(fā)展出的無線通訊技術。是一種短距離、低功耗的無線通信技術其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。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通訊技術。ZigBee概述9/2/2023什么是ZigBee技術

ZigBee是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個ZigBee網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網絡節(jié)點間的距離可以從標準的75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個ZigBee網絡不僅可以“無限”擴展開來，而且還可以與現有的其它的各種網絡連接。例如，你可以通過互聯網在北京監(jiān)控云南某地的一個ZigBee控制網絡。ZigBee概述9/2/2023

在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。ZigBee概述9/2/2023ZigBee技術的發(fā)展工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數據通信的需求越來越強烈，而藍牙技術對于這一領域顯然有一定的局限。2002年,zigbeeAlliance成立。Zigbee協議在2003年正式問世。2004年,zigbeeV1.0誕生。2006年,推出zigbee2006,比較完善。2007年底,zigbeePRO推出。

ZigBee概述9/2/2023ZigBee的頻帶和數據傳輸率9/2/2023ZigBee的物理信道9/2/2023ZigBee技術特點1、低功耗：這是ZigBee一個顯著特點。由于工作周期較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。2、低成本：協議簡單且所需的存儲空間小，這極大降低了ZigBee的成本，每塊芯片價格僅2-5美元，而且ZigBee協議是免專利費。3、時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設備搜索時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。9/2/2023ZigBee技術特點4、數據傳輸速率低：10kbps到250kbps，專注于低傳輸應用5、數據傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時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)送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，發(fā)送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息。6、網絡容量大：一個ZigBee設備可以與另外254個設備相連接，一個ZigBee網絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可以同時存在最低100個ZigBee網絡。網絡有星狀、樹狀和網狀網絡結構。在有節(jié)點加入和撤出時，網絡具有自動修復功能。9/2/2023ZigBee技術特點7、工作頻段靈活：使用免費頻段分別為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）以及915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。8、兼容性好：與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器（Coordinator）自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協議。9、安全性高：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。。9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用場合低速無線設備·

TV·

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DVD·

CD

·

鼠標·

鍵盤·

操作桿

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監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·控制工業(yè)、農業(yè)和商業(yè)消費電子PC機的外圍設備家庭自動化玩具和游戲個人健康監(jiān)護9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例結合ZigBee和GPRS的無線數據傳輸網絡9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee的油田油井遙測遙控無線通信9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的管道監(jiān)測無線數據傳輸網絡9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)采用MESH網狀網絡結構，保證數據傳輸的可靠性。每幢單元樓設置一個ZigBee遠端節(jié)點一個小區(qū)設置一個ZigBee中心節(jié)點ZigBee中心節(jié)點數據通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心9/2/2023ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)9/2/2023ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的，從下往上依次是物理層，MAC層，網絡/安全層，應用支持子層，應用層。ZigBee技術體系ZigBee的堆棧架構物理層MAC層網絡層安全層應用層應用支持子層ZigBee聯盟IEEE802.15.4用戶硬件實現ZigBee平臺通信棧應用層9/2/2023ZigBee協議層作用ZigBee技術體系物理層MAC層網絡/安全層支持/應用層作用：作用：作用：作用：物理層是協議的最底層，承付著和外界直接作用的任務。主要目的：控制RF收發(fā)器工作。負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束確認模式的數據傳送和接收。建立新網絡，保證數據的傳輸。對數據進行加密，保證數據的完整性。應用支持層根據服務和需求使多個器件之間進行通信。應用層主要根據具體應用由用戶開發(fā)。9/2/2023ZigBee網絡拓撲結構ZigBee技術體系星狀網狀型簇狀型網絡協調器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協商者和普通協商者，并且可以和任何一種設備進行通信精簡功能設備(RFD):不能成為任何協商者，可以和網絡協商者進行通信，實現簡單。9/2/2023ZigBee網絡設備類型ZigBee技術體系網絡協調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設備（FFD）：可以擔任網絡協調者，形成網絡，讓其他的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，FFD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網絡設備類型9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過多級跳的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能。9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee網狀網絡9/2/2023ZigBee技術體系ZigBee通信可靠性保證通信可靠機制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時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)送數據時的競爭和沖突；明晰的信道檢測■MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接受方的確認信息。網絡的自組織自愈能力強■ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連結關系，組成結構化的網絡；■ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應的調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。9/2/2023Zigbee技術中的基本概念一、ZigBee信道

IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個工作頻段，即2.4GHz頻段和868/915MHz頻段。在IEEE802.15.4中，總共分配了27個具有3種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個速率為250kb/s的信道，在915MHz頻段有10個40kb/s的信道，在868MHz頻段有1個20kb/s的信道。在無線龍?zhí)峁㈱igBee無線傳感器網絡系統(tǒng)統(tǒng)一中使用的2.4GHz頻段。9/2/2023Zigbee技術中的基本概念9/2/2023Zigbee技術中的基本概念二、ZigBee的PANID(網絡號)ZigBee無線傳感器網絡的協調器是通過選擇網絡工作信道及個域網識別標志(PANID或網絡號)來啟動一個ZigBee無線傳感器網絡。PANID是一個32位標設，范圍從0x0000-0xffff。9/2/2023Zigbee技術中的基本概念三、ZigBee物理地址

在ZigBee無線傳感器網絡中，節(jié)點有2個地址，一個是物理(也稱IEEE或擴展)地址，物理地址是在產品出廠時初始化的，在全球范圍內是唯一標識地址。注：當一個ZigBee節(jié)點需要加入網絡時，其物理地址必須不能與現有網絡節(jié)點物理地址有沖突，并且不為0xffffffffffffffff。9/2/2023Zigbee技術中的基本概念四、ZigBee網絡地址分配

ZigBee有兩種地址分配方式：分布式分配機制和隨機分配機制。

1.隨機分配機制當一個設備加入網絡時，其父設備應選擇一個尚未分配過的隨機地址，分配給該設備9/2/20232.分布式分配機制我們知道，每個ZigBee設備應該擁有一個唯一物理地址。協調器（coordinator）在建立網絡以后使用0x0000作為自己的短地址。Zigbee技術中的基本概念9/2/2023無線傳感器網絡構架

ZigBee無線傳感器網絡由1.PC機部分、2.網關部分、3.路由節(jié)點部分、4.傳感器節(jié)點部分四部分組成。9/2/2023無線傳感器網絡構架1．PC機：完成接收網關數據和發(fā)送指令，實現可視化，形象化人機界面，方便用戶操作，觀察；2．網關：完成通過計算機發(fā)送的指令發(fā)送或接收路由節(jié)點或者傳感器節(jié)點數據，并將接收到的數據發(fā)送給計算機；3．路由節(jié)點：在網關不能和所有的傳感器節(jié)點通信時，路由節(jié)點作為一種中介使網關和傳感器節(jié)點通信，實現路由通信功能；4．傳感器節(jié)點：完成對設備的控制和數據的采集，包括燈的控制溫度、光照度、加速度數據等等。9/2/2023ZigBee的發(fā)展前景ZigBee的前景盡管ZigBee在出現伊始就以其低功耗，數據傳輸可靠，網絡容量大，安全可靠以及低成本等一系列令業(yè)界歡欣鼓舞的面貌示人