智能網(wǎng)絡組網(wǎng)技術 課件 項目5 ZigBee通信技術

無線傳感器網(wǎng)絡概述目錄什么是無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模組低速無線網(wǎng)絡規(guī)范IEEE802.15.4技術什么是無線傳感器網(wǎng)絡無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)模組模組模組低速無線網(wǎng)絡規(guī)范低速無線網(wǎng)絡規(guī)范IEEE802.15.4技術

IEEE是電氣和電子工程師協(xié)會，一個專業(yè)組織，工作包括制定通信和網(wǎng)絡標準。802.15是協(xié)議號。IEEE802.15.4技術

IEEE802.15.4技術

IEEE802.15.4技術

IEEE802.15.4技術

IEEE802.15.4技術

IEEE802.15.4技術

ZigBee通信技術目錄ZigBee通信技術概述ZigBee協(xié)議棧ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee中的基本概念ZigBee與CC2530芯片的關系ZigBee通信技術概述

ZigBee（紫蜂）技術是一種新興的近距離、低速率、低成本、低功耗的無線通信技術，使用世界通用免申請的2.4GHz頻段。它具有很強的自組織能力和很高的安全性，非常適用于無線傳感器網(wǎng)絡。1.ZigBee定義ZigBee通信技術概述

868MHz頻段：定義了1個信道，擁有20Kbps的傳輸速率。915MHz頻段：定義了10個信道，信道中心間隔為2MHz，擁有40Kbps的傳輸速率。2.4GHz頻段：定義了16個信道，信道中心間隔為5MHz，擁有250Kbps的傳輸速率。ZigBee通信技術概述

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(shù)據(jù)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(wǎng)通訊技術。2.ZigBee技術的特點ZigBee通信技術概述

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(xié)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(xié)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。ZigBee通信技術概述

4、數(shù)據(jù)傳輸速率低：10kbps到250kbps，專注于低傳輸應用5、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。6、網(wǎng)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(wǎng)絡可以容納最多65535個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最低100個ZigBee網(wǎng)絡。網(wǎng)絡有星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在有節(jié)點加入和撤出時，網(wǎng)絡具有自動修復功能。ZigBee通信技術概述

ZigBee協(xié)議棧ZigBee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(wǎng)絡/安全層，應用支持子層，應用層。物理層MAC層網(wǎng)絡層安全層應用層應用支持子層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4用戶硬件實現(xiàn)ZigBee平臺通信棧應用層ZigBee協(xié)議棧

ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee節(jié)點的部署根據(jù)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)安設。常用的拓撲結(jié)構(gòu)有線性結(jié)構(gòu)和平面結(jié)構(gòu)兩種。線性網(wǎng)絡是最簡單的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，所有的節(jié)點布置在一條直線上或接近一條直線上。應用：氣調(diào)冷藏庫，管道監(jiān)測（天然氣，水管、石油等）案例：景區(qū)森林火災防護系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)平面結(jié)構(gòu)常見的有星型網(wǎng)絡、樹型網(wǎng)絡以及網(wǎng)狀網(wǎng)絡三種拓撲結(jié)構(gòu)。典型應用：智能交通監(jiān)測系統(tǒng)（網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)）、小區(qū)智能三表遠程抄表系統(tǒng)（網(wǎng)狀、樹狀結(jié)構(gòu)）、農(nóng)田溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)（樹型）、家庭燈光自動控制系統(tǒng)（星型網(wǎng)絡）。ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡：星型網(wǎng)絡是點對多點的網(wǎng)絡多用于低成本的游戲或娛樂中心控制。它們的實現(xiàn)方式最簡單，而且設置和控制所需的代碼也最少，但一般來說節(jié)點的數(shù)量和覆蓋范圍有限。樹型網(wǎng)絡：樹型網(wǎng)絡多用于諸如存取或工業(yè)控制感測之類應用。因為它們能容納較多的節(jié)點，所以可以覆蓋比點對多點網(wǎng)絡更大的范圍。然而，其缺點是可能因延遲效應而造成嚴重的節(jié)點故障并令系統(tǒng)停頓。樹形網(wǎng)絡一般需要比多點系統(tǒng)更多的節(jié)點。例如：在一個農(nóng)作物監(jiān)視或類似的農(nóng)業(yè)應用中，樹形結(jié)構(gòu)可以將多個子網(wǎng)絡匯聚成一個長距離的zigbee廣域網(wǎng)，在網(wǎng)絡中，低數(shù)據(jù)率的通信沿著樹進行傳輸，只有需要發(fā)送和接收子網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)時才會喚醒電池供電的路由器。ZigBee網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)狀網(wǎng)絡：網(wǎng)狀網(wǎng)絡是最高層次的ZigBee配置，而且需要最多的網(wǎng)絡級代碼。網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有重要節(jié)點故障的“自愈”能力，這使它們成為大型建筑的控制系統(tǒng)或廣域感測的理想選擇。這類網(wǎng)絡是至今為止最難以設計和推行的ZigBee網(wǎng)絡。

例如：如果數(shù)據(jù)可靠性是關鍵需求，則選擇網(wǎng)狀網(wǎng)絡，通過把zigbee發(fā)射器和接收器放的更近，從而保證信號質(zhì)量。網(wǎng)格網(wǎng)絡的冗余通道會確保提供替代的數(shù)據(jù)通道從而避免單節(jié)點故障。ZigBee網(wǎng)絡中的基本概念1、ZigBee的PANID(網(wǎng)絡號)

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器是通過選擇網(wǎng)絡工作信道及個域網(wǎng)識別標志(PANID或網(wǎng)絡號)來啟動一個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡。PANID是一個16位標設，范圍從0x0000-0xffff。2、ZigBee設備的地址

在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點有2個地址，一個是64位的物理(也稱IEEE或擴展)地址，物理地址是在產(chǎn)品出廠時初始化的，在全球范圍內(nèi)是唯一標識地址。一個是16位的網(wǎng)絡地址（也稱短地址）。ZigBee網(wǎng)絡中的基本概念ZigBee網(wǎng)絡中的基本概念3、ZigBee

網(wǎng)絡的設備類型

ZigBee

協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡的一種設備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關聯(lián)，同時還能設計信任中心和執(zhí)行其它活動。協(xié)調(diào)器負責網(wǎng)絡正常工作以及保持同網(wǎng)絡其它設備的通信。一個ZigBee

網(wǎng)絡只允許有一個ZigBee

協(xié)調(diào)器。

ZigBee路由器是一種支持關聯(lián)設備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設備。ZigBee網(wǎng)格或樹形網(wǎng)絡可以有多個ZigBee路由器。ZigBee星型網(wǎng)絡不支持ZigBee路由器。

ZigBee

終端設備可以執(zhí)行它的相關功能，并使用ZigBee

網(wǎng)絡到達其它需要與其通信的設備，它的存儲器容量要求最少，其可以實驗ZigBee

低功耗設計。ZigBee與CC2530芯片的關系ZigBee的作用是構(gòu)建無線局域網(wǎng)，無線傳感器網(wǎng)絡是無線局域網(wǎng)的一個具體應用。ZigBee無線網(wǎng)絡在軟件上需要ZigBee協(xié)議棧，且在硬件上需要支持ZigBee底層協(xié)議的某種芯片，這樣各硬件設備之間才可以通過ZigBee協(xié)議進行通信。基于此，美國德州儀器（TI）公司開發(fā)了Z-Stack協(xié)議棧，還研發(fā)了一系列支持ZigBee底層協(xié)議的芯片（如CC2430、CC2431、CC2530、CC2531、CC2538等），它們都是與Z-Stack協(xié)議棧配合使用的ZigBee芯片。ZigBee與CC2530芯片的關系開發(fā)平臺IAR版本為IAREmbeddedWorkbenchfor805