物联网与短距离无线通信技术[董健]第四章.ppt

第四章ZigBee技术 本章内容 1 什么是ZigBee技术2 ZigBee技术特点3 ZigBee与Wi Fi 蓝牙的区别4 ZigBee设备类型5 ZigBee网络描述6 ZigBee协议架构7 ZigBee应用领域 什么是ZigBee Zigbee是IEEE802 15 4协议的代名词 根据这个协议规定的技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 这一名称来源于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络 其特点是近距离 低复杂度 自组织 低功耗 低数据速率 低成本 主要适合用于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备 简而言之 ZigBee就是一种便宜的 低功耗的近距离无线组网通讯技术 zigbee早期也被称为 HomeRFLite RF EasyLink 或 fireFly 无线电技术 目前统称为ZigBee技术 ZigBee可工作在2 14GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和915MHz 美国流行 3个频段上 分别具有最高250kbit s 20kbit s和40kbit s的传输速率 它的传输距离在10 75m的范围内 但可以继续增加 Zigbee的发展历程 2002年 zigbeeAlliance成立 2004年 zigbeeV1 0诞生 它是zigbee的第一个规范 但由于推出仓促 存在一些错误 2006年 推出zigbee2006 比较完善 2007年底 zigbeePRO推出 ZigBee技术特点 ZigBee具体如下技术特点 1 低功耗由于ZigBee的传输速率低 发射功率仅为1mW 而且采用了休眠模式 功耗低 因此ZigBee设备非常省电 据估算 ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间 相比较 蓝牙能工作数周 WiFi可工作数小时 现在 TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点 该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源 ZigBee技术特点 2 低成本由于ZigBee模块的复杂度不高 ZigBee协议免专利费 再加之使用的频段无需付费 所以它的成本较低 通过大幅简化协议 不到蓝牙的1 10 降低了对通信控制器的要求 按预测分析 以8051的8位微控制器测算 全功能的主节点需要32KB代码 子功能节点少至4KB代码 而且Zigbee免协议专利费 市面上的zigbee学习开发板大概是500 700人民币三个模块 其中有带功放的 传输距离远一点 如果需要LCD显示器的话可能会贵一点 价格会在两千左右 三四个节点 但这是开发板 如果自己焊制 生产一个Zigbee节点其成本远远低于以上的价格 批量生产的话应该可以控制在50元人民币左右成都无限龙公司和蜂舞Zigbee公司是市场上的主力军 除了提供开发套件 还承接Zigbee项目 3 时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 典型的搜索设备时延30ms 休眠激活的时延是15ms 活动设备信道接入的时延为15ms 相比较 蓝牙需要3 10s WiFi需要3s 这种毫秒级的时延 在实时性要求不太高的网络中是非常高效的 在有一定时延要求的网络中也是佼佼者 ZigBee技术特点 4 网络容量大一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络 而且网络组成灵活 网状结构的ZigBee网络中可有65000多个节点 bluetooth 每个网络8个节点 ZigBee技术特点 5 可靠采取了碰撞避免策略 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 避开了发送数据的竞争和冲突 MAC层采用了完全确认的数据传输模式 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 如果传输过程中出现问题可进行重发 ZigBee技术特点 ZigBee技术特点 6 安全ZigBee提供了基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性检查功能 支持鉴权和认证 以及采用高级加密标准 AES128 的对称密码 以灵活确定其安全属性 Zigbee提供了三级安全模式 包括无安全设定 使用接入控制清单 ACL 防止非法获取数据 7 免执照频段采用直接序列扩频在工业科学医疗 ISM 频段 2 4GHz 全球 915MHz 美国 和868MHz 欧洲 ZigBee技术特点 8 传输距离灵活传输范围一般介于10 100m之间 在增加RF发射功率后 亦可增加到1 3km 这指的是相邻节点间的距离 如果通过路由和节点间通信的接力 传输距离将可以更远 ZigBee技术特点 ZigBee与Wi Fi 蓝牙的区别 ZigBee设备类型 1 ZigBee协调器 Coordinator 2 ZigBee路由器 Router 3 ZigBee终端设备 End device 一个Zigbee网络由一个协调器节点 多个路由器和多个终端设备节点组成 ZigBee协调器 Coordinator 它包含所有的网络信息 是3种设备中最复杂的 存储容量大 计算能力最强 它主要用于发送网络信标 建立一个网络 管理网络节点 存储网络节点信息 寻找一对节点间的路由信息并且不断的接收信息 一旦网络建立完成 这个协调器的作用就像路由器节点 ZigBee设备类型 ZigBee路由器 Router 它的执行功能包括允许其它设备加入这个网络 跳跃路由 辅助子树下电池供电终端的通信 通常 路由器全时间处在活动状态 因此为主供电 但是在树状拓扑中 允许路由器操作周期运行 因此这个情况下允许路由器电池供电 ZigBee设备类型 ZigBee终端设备 End device 一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任 所以它可以睡眠和唤配看它自己选择 因此它能作为电池供电节点 ZigBee设备类型 简单的说 Zigbee是一种高可靠的无线数传网络 类似于CDMA和GSM网络 Zigbee数传模块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的75m到几百米 几公里 并且支持无限扩展 Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台 在整个网络范围内 每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信 每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展 ZigBee网络描述 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是 Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工作可靠 价格低的特点 而移动通信网主要是为语音通信而建立 每个基站价值一般都在百万元人民币以上 而每个Zigbee 基站 却不到1000元人民币 每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象 例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控 还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料 除此之外 每一个Zigbee网络节点 FFD 还可在自己信号覆盖的范围内 和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点 RFD 无线连接 ZigBee网络描述 拓扑结构ZigBee支持三种自组织无线网络类型 即星型结构 网状结构 Mesh 和簇状结构 Clustertree 特别是网状结构 具有很强的网络健壮性和系统可靠性 ZigBee网络描述 ZigBee网络描述 ZigBee网络描述 Zigbee采用的自组织网通信方式ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事 举一个简单的例子就可以说明这个问题 当一队伞兵空降后 每人持有一个ZigBee网络模块终端 降落到地面后 只要他们彼此间在网络模块的通信范围内 通过彼此自动寻找 很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络 而且 由于人员的移动 彼此间的联络还会发生变化 因而 模块还可以通过重新寻找通信对象 确定彼此间的联络 对原有网络进行刷新 这就是自组织网 ZigBee网络描述 ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信 为什么自组织网要采用动态路由的方式 ZigBee网络描述 网状网通信实际上就是多通道通信 在实际工业现场 由于各种原因 往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通 就像城市的街道一样 可能因为道路维修等 使得某条道路的交通出现暂时中断 此时由于我们有多个通道 车辆 相当于我们的控制数据 仍然可以通过其他道路到达目的地 而这一点对工业现场控制而言则非常重要 ZigBee网络描述 所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的 而是传输数据前 通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索 分析它们的位置关系以及远近 然后选择其中的一条路径进行数据传输 在我们的网络管理软件中 路径的选择使用的是 梯度法 即先选择路径最近的一条通道进行传输 如传不通 再使用另外一条稍远一点的通路进行传输 以此类推 直到数据送达目的地为止 在实际工业现场 预先确定的传输路径随时都可能发生变化 或者因各种原因路径被中断了 或者过于繁忙不能进行及时传送 动态路由结合网状拓扑结构 就可以很好解决这个问题 从而保证数据的可靠传输 ZigBee网络描述 ZigBee协议架构 ZigBee协议由应用层 网络层 数据链路层和物理层组成 网络层以上协议由ZigBee联盟制定 IEEE802 15 4负责物理层和链路层标准 ZigBee IEEE802 15 4規格架構 ZigBee IEEE802 15 4规格架构 ZigBee网络拓扑 物理层功能 1 激活和休眠射频收发器 2 信道能量检测 energydetect 3 检测接收数据包的链路质量指示 linkqualityindication LQI 4 空闲信道评估 clearchannelassessment CCA 5 收发数据 ZigBee协议架构 数据链路层功能 1 协调器产生并发送信标帧 普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步 2 支持PAN网络的关联 association 和取消关联 disassociation 操作 3 支持无线信道通信安全 4 使用CSMA CA机制访问信道 5 支持时槽保障 guaranteedtimeslot GTS 机制 6 支持不同设备的MAC层间可靠传输 ZigBee协议架构 网络层功能 ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数 确保ZIgBee的MAC层 IEEE802 15 4 2003 正常工作 并且为应用层提供合适的服务接口 为了向应用层提供其接口 网络层提供了两个必须的功能服务实体 它们分别为数据服务实体和管理服务实体 网络层数据实体 NLDE 通过网络层数据服务实体服务接入点 NLDE SAP 提供数据传输服务 网络层管理实体 NLME 通过网络层管理实体服务接入点 NLME SAP 提供网络管理服务 网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作 并且 网络层管理实体完成对网络信息库 NIB 的维护和管理 ZigBee协议架构 应用会聚层功能 该层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上 具体而言包括 1 安全与鉴权2 多个业务数据流的会聚3 设备发现4 服务发现 ZigBee协议架构 智能家庭领域可以应用于家庭的照明 温度 安全 控制等 ZigBee模块可安装在电视 灯泡 遥控器 儿童玩具 游戏机 门禁系统 空调系统和其它家电产品等 例如在灯泡中装置ZigBee模块 则人们要开灯 就不需要走到墙壁开关处 直接通过遥控便可开灯 当你打开电视机时 灯光会自动减弱 当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时 电视机会自动静音 通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息 传送到中央控制设备 或是通过遥控达到远程控制的目的 提供家居生活自动化 网络化与智能化 ZigBee应用领域 工业领域通过ZigBee网络自动收集各种信息 并将信息回馈到系统进行数据处理与分析 以利工厂整体信息之掌握 例如火警的感测和通知 照明系统之感测 生产机台之流程控制等 都可由