《無線傳感網(wǎng)技術(shù)》 課件 第3章 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

------ZigBee系列1

ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)體系

3.

ZigBee應(yīng)用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)ZigBee概述ZigBee，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式：蜜蜂通過跳Zig-Zag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置，距離和方向等資訊。ZigBee概念Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(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。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(shù)。

ZigBee概述

ZigBee的起源工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強(qiáng)烈，而藍(lán)牙技術(shù)對于這一領(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

ZigBee概述ZigBee技術(shù)發(fā)展歷程1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”技術(shù)。2.2000年12月成立了工作小組起草IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)3.Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。ZigBee概述4.2004年12月ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)(又稱為ZigBee2004)敲定，這使得ZigBee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。5.2005年9月公布ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和IBM公司加入了ZigBee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。6.2006年12月進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出ZigBee1.1版(又稱為ZigBee2006)。該協(xié)議雖然命名為ZigBee1.1，但是與ZigBee1.0版是不兼容的。ZigBee概述7.2007年10月完成再次修訂(稱為ZigBee2007/PRO)。能夠兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此時ZigBee聯(lián)盟更加專注于以下三個方面：

1)、家庭自動化(HomeAutomation；HA)；2)、建筑/商業(yè)大樓自動化(BuildingAutomation；BA)；3)、先進(jìn)抄表基礎(chǔ)建設(shè)(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；ZigBee概述ZigBee和其他兩大主要無線網(wǎng)絡(luò)科技的比較ZigBee概述ZigBee聯(lián)盟組成成立于2001年9月成員為半導(dǎo)體廠商、無線IP供應(yīng)商、OEM廠商及終端用戶擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等ZigBee聯(lián)盟的宗旨在一個開放式全球標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品成為可能。ZigBee概述ZigBee聯(lián)盟的部分會員CompXsZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)體系

3.

ZigBee應(yīng)用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)ZigBee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。(結(jié)合ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議的文件目錄講解)

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用戶硬件實(shí)現(xiàn)ZigBee平臺通信棧應(yīng)用層ZigBee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的頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee的物理信道

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee技術(shù)體系ZigBee設(shè)備類型

1.ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）

2.ZigBee路由器（Router）

3.ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成。ZigBee技術(shù)體系ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種設(shè)備中最復(fù)雜的，存儲容量大、計算能力最強(qiáng)。它主要用于發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成,這個協(xié)調(diào)器的作用就像路由器節(jié)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)體系ZigBee路由器（Router）它執(zhí)行的功能包括允許其它設(shè)備加入這個網(wǎng)絡(luò)，跳躍路由，輔助子樹下電池供電終端的通信。通常,路由器全時間處在活動狀態(tài),因此為主供電。但是在樹狀拓?fù)渲?允許路由器操作周期運(yùn)行,因此這個情況下允許路由器電池供電.。ZigBee技術(shù)體系ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個終端設(shè)備對于維護(hù)這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點(diǎn)。ZigBee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)簡單。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

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)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對節(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。精簡功能設(shè)備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型

ZigBee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)可以通過多級跳的方式來通信；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。ZigBee技術(shù)體系1.Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護(hù)。

2.通過以上ZigBeeMesh結(jié)構(gòu)圖可以得知，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，但可以有若干個路由器。

3.協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）。

4.構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).ZigBee技術(shù)體系ZigBee采用的路由算法

ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)性能上都有著很大的優(yōu)勢。

AODV路由協(xié)議是一種基于距離矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要節(jié)點(diǎn)維持通信過程中未達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由。節(jié)點(diǎn)僅記住下一跳，而非像源節(jié)點(diǎn)路由那樣記住整個路由。它能在網(wǎng)絡(luò)中的各移動節(jié)點(diǎn)之間動態(tài)地、自啟動地建立逐跳路由。當(dāng)鏈路斷開時，AODV會通知受影響的節(jié)點(diǎn)，從而使這些節(jié)點(diǎn)能被確認(rèn)為無效路由。AODV允許移動節(jié)點(diǎn)響應(yīng)鏈路的破損情況，并以一種及時的方式更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。AODV操作是無還回的，并避免了當(dāng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r快速收斂的無限計算問題（特別是當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)時）。

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)體系ZigBee協(xié)議架構(gòu)

ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)體系ZigBee協(xié)議棧模型

ZigBee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，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測■MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(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)的自組織自語能力強(qiáng)■ZigBee的自組織功能：無需人工干預(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：增加或者刪除一個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee通信可靠性保證

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較

ZigBee技術(shù)體系

ZigBee技術(shù)優(yōu)勢數(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號電池可使用6-24個月成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個設(shè)備時延短：典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，通信可靠數(shù)據(jù)安全：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（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個應(yīng)用可靈活確定其安全屬性工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費(fèi)）的頻段ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)體系

3.

ZigBee應(yīng)用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用條件低功耗低成本較低的報文吞吐率需要支持大型網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的數(shù)量級對通信服務(wù)質(zhì)量QoS要求不高（甚至無QoS）需要可選擇的安全等級（采用AES-128）加密發(fā)送鑒別報文的完整性需要多方面的較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用要求高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自恢復(fù)能力ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用場合低速無線設(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·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·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)備家庭自動化玩具和游戲個人健康監(jiān)護(hù)ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例結(jié)合ZigBee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee的油田油井遙測遙控?zé)o線通信ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例ZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控汽油管線的腐蝕監(jiān)測潤滑油供應(yīng)鏈汽油管線侵入者監(jiān)測液化天然氣容器跟蹤ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例ZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用游船引擎震動監(jiān)控油罐車駕駛員安全措施化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)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ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)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ZigBee的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的無線三表遠(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?。每幢單元樓設(shè)置一個ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)一個小區(qū)設(shè)置一個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的應(yīng)用ZigBee應(yīng)用實(shí)例基于ZigBee技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)ZigBee技術(shù)與應(yīng)用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術(shù)體系

3.

ZigBee應(yīng)用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)ZigBee的現(xiàn)狀和發(fā)展前景ZigBee的市場預(yù)測ZigBee的現(xiàn)狀和發(fā)展前景ZigBee的市場現(xiàn)狀以及前景ZigBee的現(xiàn)狀和發(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，然而這種主要用于室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)