典型無(wú)線傳輸ZigBee技術(shù)及應(yīng)用

ZigBee技術(shù)與應(yīng)用《典型無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用》課程教學(xué)資源9/2/2023ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

3.

ZigBee的應(yīng)用

4.

ZigBee的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

5.ZigBee技術(shù)中的基本概念9/2/2023什么是ZigBee技術(shù)ZigBee技術(shù)是以IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，發(fā)展出的無(wú)線通訊技術(shù)。是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee概述9/2/2023什么是ZigBee技術(shù)

ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，十分類(lèi)似現(xiàn)有的移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類(lèi)似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里；另外整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)不僅可以“無(wú)限”擴(kuò)展開(kāi)來(lái)，而且還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接。例如，你可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)在北京監(jiān)控云南某地的一個(gè)ZigBee控制網(wǎng)絡(luò)。ZigBee概述9/2/2023

在標(biāo)準(zhǔn)化方面，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層和MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee概述9/2/2023ZigBee技術(shù)的發(fā)展工業(yè)自動(dòng)化和家庭智能化對(duì)無(wú)線數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，而藍(lán)牙技術(shù)對(duì)于這一領(lǐng)域顯然有一定的局限。2002年,zigbeeAlliance成立。Zigbee協(xié)議在2003年正式問(wèn)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(shù)據(jù)傳輸率9/2/2023ZigBee的物理信道9/2/2023ZigBee技術(shù)特點(diǎn)1、低功耗：這是ZigBee一個(gè)顯著特點(diǎn)。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(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間。2、低成本：協(xié)議簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小，這極大降低了ZigBee的成本，每塊芯片價(jià)格僅2-5美元，而且ZigBee協(xié)議是免專(zhuān)利費(fèi)。3、時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。9/2/2023ZigBee技術(shù)特點(diǎn)4、數(shù)據(jù)傳輸速率低：10kbps到250kbps，專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用5、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。6、網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee設(shè)備可以與另外254個(gè)設(shè)備相連接，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最低100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在有節(jié)點(diǎn)加入和撤出時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有自動(dòng)修復(fù)功能。9/2/2023ZigBee技術(shù)特點(diǎn)7、工作頻段靈活：使用免費(fèi)頻段分別為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）以及915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。8、兼容性好：與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)縫集成。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA-CA方式進(jìn)行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協(xié)議。9、安全性高：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。。9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用場(chǎng)合低速無(wú)線設(shè)備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標(biāo)·

鍵盤(pán)·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門(mén)禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動(dòng)化·控制工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費(fèi)電子PC機(jī)的外圍設(shè)備家庭自動(dòng)化玩具和游戲個(gè)人健康監(jiān)護(hù)9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例結(jié)合ZigBee和GPRS的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee的油田油井遙測(cè)遙控?zé)o線通信9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的管道監(jiān)測(cè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無(wú)線通信方案ZIGBEE無(wú)線通信的交通信號(hào)控制系統(tǒng)-交通路口控制通信9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例ZIGBEE無(wú)線通信的交通信號(hào)控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無(wú)線通信方案9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｃ看眴卧獦窃O(shè)置一個(gè)ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)一個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心9/2/2023ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)9/2/2023ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，從下往上依次是物理層，MAC層，網(wǎng)絡(luò)/安全層，應(yīng)用支持子層，應(yīng)用層。ZigBee技術(shù)體系ZigBee的堆棧架構(gòu)物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)層安全層應(yīng)用層應(yīng)用支持子層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4用戶(hù)硬件實(shí)現(xiàn)ZigBee平臺(tái)通信棧應(yīng)用層9/2/2023ZigBee協(xié)議層作用ZigBee技術(shù)體系物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)/安全層支持/應(yīng)用層作用：作用：作用：作用：物理層是協(xié)議的最底層，承付著和外界直接作用的任務(wù)。主要目的：控制RF收發(fā)器工作。負(fù)責(zé)設(shè)備間無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收。建立新網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的傳輸。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。應(yīng)用支持層根據(jù)服務(wù)和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信。應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶(hù)開(kāi)發(fā)。9/2/2023ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)體系星狀網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備(FFD,Router):可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD):不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。9/2/2023ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型ZigBee技術(shù)體系網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類(lèi)型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設(shè)備（FFD）：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的FFD或是精簡(jiǎn)功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多級(jí)跳的方式來(lái)通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)9/2/2023ZigBee技術(shù)體系ZigBee通信可靠性保證通信可靠機(jī)制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道檢測(cè)■MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織自愈能力強(qiáng)■ZigBee的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連結(jié)關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；■ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，無(wú)需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。9/2/2023Zigbee技術(shù)中的基本概念一、ZigBee信道

IEEE802.15.4工作在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，定義了兩個(gè)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(gè)具有3種速率的信道：在2.4GHz頻段有16個(gè)速率為250kb/s的信道，在915MHz頻段有10個(gè)40kb/s的信道，在868MHz頻段有1個(gè)20kb/s的信道。在無(wú)線龍?zhí)峁㈱igBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)統(tǒng)一中使用的2.4GHz頻段。9/2/2023Zigbee技術(shù)中的基本概念9/2/2023Zigbee技術(shù)中的基本概念二、ZigBee的PANID(網(wǎng)絡(luò)號(hào))ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器是通過(guò)選擇網(wǎng)絡(luò)工作信道及個(gè)域網(wǎng)識(shí)別標(biāo)志(PANID或網(wǎng)絡(luò)號(hào))來(lái)啟動(dòng)一個(gè)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。PANID是一個(gè)32位標(biāo)設(shè)，范圍從0x0000-0xffff。9/2/2023Zigbee技術(shù)中的基本概念三、ZigBee物理地址

在ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)有2個(gè)地址，一個(gè)是物理(也稱(chēng)IEEE或擴(kuò)展)地址，物理地址是在產(chǎn)品出廠時(shí)初始化的，在全球范圍內(nèi)是唯一標(biāo)識(shí)地址。注：當(dāng)一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其物理地址必須不能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理地址有沖突，并且不為0xffffffffffffffff。9/2/2023Zigbee技術(shù)中的基本概念四、ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配

ZigBee有兩種地址分配方式：分布式分配機(jī)制和隨機(jī)分配機(jī)制。

1.隨機(jī)分配機(jī)制當(dāng)一個(gè)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其父設(shè)備應(yīng)選擇一個(gè)尚未分配過(guò)的隨機(jī)地址，分配給該設(shè)備9/2/20232.分布式分配機(jī)制我們知道，每個(gè)ZigBee設(shè)備應(yīng)該擁有一個(gè)唯一物理地址。協(xié)調(diào)器（coordinator）在建立網(wǎng)絡(luò)以后使用0x0000作為自己的短地址。Zigbee技術(shù)中的基本概念9/2/2023無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由1.PC機(jī)部分、2.網(wǎng)關(guān)部分、3.路由節(jié)點(diǎn)部分、4.傳感器節(jié)點(diǎn)部分四部分組成。9/2/2023無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架1．PC機(jī)：完成接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)可視化，形象化人機(jī)界面，方便用戶(hù)操作，觀察；2．網(wǎng)關(guān)：完成通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令發(fā)送或接收路由節(jié)點(diǎn)或者傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)；3．路由節(jié)點(diǎn)：在網(wǎng)關(guān)不能和所有的傳感器節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)作為一種中介使網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)通信，實(shí)現(xiàn)路由通信功能；4．傳感器節(jié)點(diǎn)：完成對(duì)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)的采集，包括燈的控制溫度、光照度、加速度數(shù)據(jù)等等。9/2/2023ZigBee的發(fā)展前景ZigBee的前景盡管ZigBee在出現(xiàn)伊始就以其低功耗，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)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