物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)

ZigBeeByJohnXu什么是ZigBeeZigBee與ZigBee與

802無線圖譜文本因特網(wǎng)/聲音壓縮圖片多通道數(shù)字圖像低<實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率>高短程<傳輸范圍>長(zhǎng)程短程無線通信協(xié)議無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB/秒，專注于低傳輸應(yīng)用功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用6~24個(gè)月本錢低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了本錢網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備。時(shí)延短：通常時(shí)延都在15ms~30ms平安：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法〔美國(guó)新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一〕有效范圍?。河行Ц采w范圍10~75米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz〔歐洲〕和915MHz〔美國(guó)〕，均為免執(zhí)照〔免費(fèi)〕的頻段傳輸可靠：采用碰撞防止策略，同時(shí)為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙。

ZigBee的特點(diǎn)

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)遵循協(xié)議。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。調(diào)制方式：擴(kuò)頻通信信號(hào)傳輸距離：~50m〔室內(nèi)〕，~150m〔室外〕。

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-物理層

頻率

頻帶 覆篕范圍

數(shù)據(jù)傳輸速度

信道數(shù)量2.4GHzISM 全球

250kbps

1

915MHzISM 美洲

40kbps 10868MHzISM

歐洲

20kbps 1

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-物理層遵循協(xié)議負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(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)傳送和接收可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-媒體接入控制層全功能器件FFD可工作于所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可與網(wǎng)絡(luò)中任何節(jié)點(diǎn)通信簡(jiǎn)化功能器件RFD僅可和網(wǎng)絡(luò)中的FFD通信不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性的數(shù)據(jù)通信由用戶決定周期的長(zhǎng)短如：煙霧傳感器間歇性的數(shù)據(jù)通信由用戶或外界事件引發(fā)決定間歇長(zhǎng)短如：電燈開關(guān)重復(fù)而快速反響的數(shù)據(jù)通信指定固定的時(shí)隙進(jìn)行通信如：鼠標(biāo)、鍵盤網(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)，讓其它的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。附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部802.15.4功能和所有特征更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由器作用。也能用作終端設(shè)備精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。附帶有限的功能來控制本錢和復(fù)雜性在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。ZigBee相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBee部件的本錢，而簡(jiǎn)單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低本錢。設(shè)備類型拓?fù)漕愋涂煞癯蔀榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通話對(duì)象全功能器件（FFD）星形，樹形，網(wǎng)狀可以任何ZigBee設(shè)備簡(jiǎn)化功能器件（RFD）星形不可以只能與協(xié)調(diào)器通話

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-媒體接入控制層建立新的網(wǎng)絡(luò)處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)節(jié)點(diǎn)分配地址保證節(jié)點(diǎn)之間的同步提供網(wǎng)絡(luò)的路由保證數(shù)據(jù)的完整性使用可選的AES-128對(duì)通信加密ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-網(wǎng)絡(luò)及平安層應(yīng)用支持層維持器件的功能屬性應(yīng)用支持層發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作應(yīng)用支持層根據(jù)效勞和需求使多個(gè)器件之間進(jìn)行通信應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)-應(yīng)用層

ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ蚆ESH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)可以通過多級(jí)跳的方式來通信；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。

ZigBeeMesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ途W(wǎng)絡(luò)掃描裝置掃描16個(gè)信道，以確定可占用的最正確信道。組建/連接一個(gè)PAN裝置可在自由信道上組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)〔協(xié)調(diào)器〕或連接到一個(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)上。裝置搜尋裝置詢問網(wǎng)絡(luò)，以在活動(dòng)信道中搜尋相符的裝置。效勞搜尋裝置在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)搜尋可對(duì)裝置提供支持的效勞。綁定裝置間通過命令/控制信息實(shí)現(xiàn)通信。構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成，必須由FFD率先擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，建立網(wǎng)絡(luò)，再由其它的FFD或是RFD參加這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不過RFD只能和FFD連結(jié)。

根據(jù)裝置在網(wǎng)絡(luò)中的功能，預(yù)先對(duì)裝置編制好程序協(xié)調(diào)器的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的信道來啟動(dòng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器(一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的mesh設(shè)備)的功能是通過掃描搜索，以發(fā)現(xiàn)一個(gè)激活的信道并將其連接，然后允許其它裝置連接。終端裝置的功能總是試圖連接到一個(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)。裝置搜索網(wǎng)絡(luò)中能提供完整效勞的其它裝置允許網(wǎng)絡(luò)中的任何裝置可對(duì)效勞搜索進(jìn)行初始化。將裝置與可提供完整效勞的其它裝置進(jìn)行綁定綁定可為指定相符的設(shè)備集提供命令和控制特征。構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)一個(gè)完整的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括數(shù)據(jù)捕獲網(wǎng)和數(shù)據(jù)分配網(wǎng)兩局部。構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本錢很低、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊沒有充足的電源支持，只能使用一次性電池頻繁地更換電池或者反復(fù)地充電無法做到或者很困難需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制低速無線設(shè)備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標(biāo)·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費(fèi)電子個(gè)人健康監(jiān)護(hù)·

監(jiān)視·

傳感器·

自動(dòng)化·控制玩具和游戲家庭自動(dòng)化PC機(jī)的外圍設(shè)備ZigBee的應(yīng)用范圍

消費(fèi)性電子設(shè)備家庭和樓宇自動(dòng)化設(shè)備工業(yè)控制裝置農(nóng)業(yè)自動(dòng)化電腦外設(shè)醫(yī)用傳感器玩具和游戲機(jī)等設(shè)備支持小范圍的基于無線通信的控制和自動(dòng)化等領(lǐng)域ZigBee的應(yīng)用方向ZigBee的應(yīng)用方向ZigBee智能樓宇照明菲利普樓宇無線照明控制照明開關(guān)＋光暗控制可根據(jù)光線亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)可隨意增添傳感器ZigBee智能樓宇照明ZigBee智能個(gè)人醫(yī)療Lusora垂飾專為老人提供居家平安保障內(nèi)嵌照相機(jī)、加速計(jì)、各類傳感器和收發(fā)器配合家居其他ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)ZigBee智能個(gè)人醫(yī)療ZigBee智能家庭醫(yī)療ZigBee通訊ZigBee通信ZigBee智能電網(wǎng)監(jiān)測(cè)汽油管線的腐蝕監(jiān)測(cè)汽油管線侵入者監(jiān)測(cè)液化天然氣容器跟蹤ZigBee石油化工綜合監(jiān)測(cè)鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理游船引擎震動(dòng)監(jiān)控油田遙測(cè)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?。每幢單元樓設(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GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心ZigBee三表遠(yuǎn)傳ZigBee三表遠(yuǎn)傳采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃悦總€(gè)水文水利計(jì)量處設(shè)置一個(gè)ZIGBEE遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)一個(gè)區(qū)域監(jiān)測(cè)點(diǎn)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GPRS/CDMA或ADSL上傳到監(jiān)測(cè)中心ZigBee水文水利監(jiān)測(cè)ZIGBEE無線通信的交通信號(hào)控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee智能交通ZigBee點(diǎn)餐系統(tǒng)39CommandCenterZigBee戰(zhàn)地管理系統(tǒng)CompXsZigBee聯(lián)盟成員在ZigBeeAlliance的成員中，有不少是提供ZigBee解決方案的業(yè)者。在硬件局部，以RF芯片為代表性。目前在2.4GHz的RF芯片，以國(guó)外的Chipcon市場(chǎng)占有率較高，其RF芯片CC2420搭配AtmelAVR8bits微處理器的平臺(tái)，也是大多數(shù)人接觸到ZigBee的第一個(gè)開發(fā)平臺(tái)。Chipcon已在2005年第三季度推出一顆型號(hào)為CC2430的系統(tǒng)芯片〔SoC〕，包含RF與微處理器，大大降低了未來ZigBee相關(guān)產(chǎn)品的本錢，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)產(chǎn)品周期。另外一家2.4GHz的RF芯片廠商Freescale，也有漸漸迎頭趕上的趨勢(shì)。其RF芯片共分3種型號(hào)：MC13191、MC13192與MC13193，搭配不同的協(xié)議軟件，提供給廠商進(jìn)行不同產(chǎn)品的開發(fā)。在軟件局部，國(guó)際上已經(jīng)有許多公司有提供ZigBeeStack，例如：Ember、AirBee、Figure8Wireless等，其中以Figure8Wireless(F8W)所設(shè)計(jì)的Z-Stack最富盛名。Chipcon把F8W買下來后，使得Chipcon成為ZigBee的完全解決方案的提供者。Freescale，也是搭配F8W的Z-Stack。這樣，ChipconCC2420+Z-Stack以及Freescale13193+Z-Stack都已成為認(rèn)證時(shí)的黃金平臺(tái)。ZigBee聯(lián)盟成員ZigBee簡(jiǎn)單有效的無線控制手段車輛監(jiān)控電子消費(fèi)產(chǎn)品電視錄象機(jī)DVD/CD無線遙控器

電腦設(shè)備工業(yè)自動(dòng)控制資產(chǎn)監(jiān)控管理生產(chǎn)過程監(jiān)控環(huán)境及能源管理

保健樓宇自動(dòng)化保安系統(tǒng)大型空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)讀表系統(tǒng)照明控制門禁系統(tǒng)

病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)健身監(jiān)察系統(tǒng)

ZigBee目標(biāo)應(yīng)用ZigBee接口器件Freescale提供的MC13193EVK兩塊傳感器應(yīng)用參考板(SARD)三塊評(píng)估板(EVB)協(xié)議棧：SMACZ-StackSMAC是飛思卡爾為客戶開發(fā)的一種比較簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，可以支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)星型網(wǎng)絡(luò)，它的Size比較小，不超過5kB,SMAC不含網(wǎng)絡(luò)層，用戶可以直接在MAC層上開發(fā)他的應(yīng)用層。ZigBee接口器件供給商與開發(fā)平臺(tái)Microchip：PICDEMZ

DemonstrationKit

PICDEMZ測(cè)試板ZigBee協(xié)議棧源代碼PICDEMZ用戶手冊(cè)ZigBee接口器件供給商與開發(fā)平臺(tái)Helicomm:EZ-NetDevKit支持2.4GHz和915MHz應(yīng)用支持AT指令或通用的RS232串口Helicomm新型RF/MCU的ZigBee無線模塊(2005年5月)將傳統(tǒng)的RF和MCU分立模塊組合在一起

Freescale的RF

和MCU器件 ＋Helicomm的無線模塊設(shè)計(jì)＝＝＝＝＝＝＝＝有IP1000，IP1200，IP1270

等一系列模塊?？梢赃M(jìn)行快速組態(tài)和配置協(xié)議棧自行開發(fā)ZigBee接口器件供給商與開發(fā)平臺(tái)Chipcon：CC2420DBK〔一種演示板工具〕CC2420DB×5CC2400EB×1+CC2420EM×1AtmelJTAG調(diào)試/編程工具軟件：Z-StackCC2430ZDKPro〔ZigBeeDevelopmentKitPro〕：在目前市場(chǎng)上提供的功能最強(qiáng)的開發(fā)裝置。包括2塊CC2430評(píng)估板，2塊CC2430評(píng)估模塊，5塊演示板，5片CC2430樣片、天線和適配器。ChipconCC2420開發(fā)平臺(tái)全球首個(gè)ZigBee收發(fā)器CC2420僅支持2.4GHz支持RS232/USB接口開發(fā)ZigBee接口器件供給商與開發(fā)平臺(tái)MCU+RF收發(fā)器MCU:FreescaleGT60；AtmelMega128；TIMSP430…RF：Freescale13192；ChipconCC2420；EmberEM240…SOCEmber:EM250Chipcon：CC2430ZigBee開發(fā)舉例網(wǎng)關(guān)ZigBee終端結(jié)構(gòu)示意圖ZigBee開發(fā)舉例局部一般由RF芯片提供物理層和MAC層功能上層協(xié)議推薦使用成熟的協(xié)議?！部煽啃院图嫒菪浴橙鏩-Stack用戶程序根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，各廠商提供了大量豐富的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)ZigBee的全部功能，幫助開發(fā)人員進(jìn)行組網(wǎng)開發(fā)ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)合Specification與開發(fā)文檔了解Z-Stack的層次和結(jié)構(gòu)從例如入手，通過相關(guān)節(jié)點(diǎn)例如程序來了解具體的編程方法，以此熟悉開發(fā)軟件參考文檔了解ZigBee的根本概念和網(wǎng)絡(luò)操作步驟建議系統(tǒng)功能定位

地下停車場(chǎng)

小區(qū)停車場(chǎng)ZigBee智能停車場(chǎng)系統(tǒng)功能特點(diǎn)無線節(jié)點(diǎn)部署靈活、通信可靠、擴(kuò)展簡(jiǎn)便智能車位引導(dǎo)、操作靈活方便滾動(dòng)式進(jìn)場(chǎng)路線提示，實(shí)現(xiàn)快速誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)內(nèi)局部層、分區(qū)誘導(dǎo)，使司機(jī)快速抵達(dá)車位車輛出入智能控制，確保停車場(chǎng)內(nèi)車輛的平安實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)停車場(chǎng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車位信息實(shí)時(shí)發(fā)布支持完善的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)、分析功能可實(shí)現(xiàn)緊急情況下的人工控制功能ZigBee智能停車場(chǎng)-系統(tǒng)配置ZigBee無線收發(fā)模塊測(cè)控節(jié)點(diǎn)、出入口控制器、行車方向指示屏等設(shè)備可通過該無線模塊模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。出入口控制器通過ARM9處理板來實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的區(qū)域控制功能，并與無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)和管理中心進(jìn)行互聯(lián)。停車場(chǎng)行車地圖顯示屏在入口處使用液晶顯示屏向進(jìn)場(chǎng)司機(jī)指示進(jìn)場(chǎng)路線，便于司機(jī)查看。停車場(chǎng)行車方向顯示屏：在停車場(chǎng)的路道上使用LED顯示屏向司機(jī)指示行車方向。停車標(biāo)簽打印機(jī)采用微型打印機(jī)，可打印帶有條碼和停車場(chǎng)車位引導(dǎo)指示的標(biāo)簽。停車標(biāo)簽標(biāo)簽掃描槍自動(dòng)道閘在出入口處提供合法的通行，杜絕非法出入，并在緊急情況下快速控制。管理主機(jī)管理人員來實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、設(shè)備管理、狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)分析等。

圍墻、大門門廳、樓道門及樓梯口電梯內(nèi)園區(qū)范圍地下停車場(chǎng)中心監(jiān)控室電視屏幕顯示報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)情況自動(dòng)控制定位報(bào)警現(xiàn)場(chǎng)中心自動(dòng)切換現(xiàn)場(chǎng)圖象，判斷虛報(bào)情況錄象機(jī)實(shí)時(shí)啟動(dòng)記錄圖象ZigBee智能停車場(chǎng)-智能停車場(chǎng)全面管理ZigBee智能停車場(chǎng)-網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)ZigBee智能停車場(chǎng)-設(shè)備配置停車場(chǎng)各種傳感器和設(shè)備通過通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，可以將采集的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理，上傳給上位機(jī)也可以將來自上位機(jī)或其他設(shè)備的控制信號(hào)傳遞給相應(yīng)的無線測(cè)控節(jié)點(diǎn)。通過ZigBee無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)實(shí)現(xiàn)對(duì)停車場(chǎng)區(qū)域內(nèi)各種泊位傳感器和控制設(shè)備的運(yùn)行狀況，如顯示設(shè)備的顯示控制、車位占用狀態(tài)的采集和傳輸、設(shè)備的開啟/關(guān)閉控制