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ZigBee概念及应用 2011年04月20日 ZigBee概念及应用 ZigBee概述ZigBee技术体系ZigBee应用领域ZigBee产品小结 ZigBee概述 ZigBee 这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式 蜜蜂通过跳Zig Zag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置 距离和方向等资讯 ZigBee概述 ZigBee技术发展历程1 ZigBee的前身是1998年由INTEL IBM等产业巨头发起的 HomeRFLite 技术 2 2000年12月成立了工作小组起草IEEE802 15 4标准3 Zigbee联盟成立于2001年8月 2002年下半年 英国Invensys公司 日本三菱电气公司 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟 Zigbee联盟 以研发名为 Zigbee 的下一代无线通信标准 这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑 ZigBee概述 4 2004年12月ZigBee1 0标准 又称为ZigBee2004 敲定 这使得ZigBee有了自己的发展基本标准 5 2005年9月公布ZigBee1 0标准并提供下载 在这一年里 华为技术有限公司和IBM公司加入了ZigBee联盟 但是基于该版本的应用很少 与后面的版本也不兼容 6 2006年12月进行标准修订 推出ZigBee1 1版 又称为ZigBee2006 该协议虽然命名为ZigBee1 1 但是与ZigBee1 0版是不兼容的 ZigBee概述 7 2007年10月完成再次修订 称为ZigBee2007 PRO 能够兼容之前的ZigBee2006版本 并且加入了ZibgeePRO部分 此时ZigBee联盟更加专注于以下三个方面 1 家庭自动化 HomeAutomation HA 2 建筑 商业大楼自动化 BuildingAutomation BA 3 先进抄表基础建设 AdvancedMeterInfrastructure AMI ZigBee概述 ZigBee是一种开放式的基于IEEE802 15 4协定的无线个人局域网 WirelessPersonalAreaNetworks 标准 IEEE802 15 4定义了物理层和媒体接入控制层 而ZigBee则定义了更高层如网路层及应用层等 ZigBee技术是一种近距离 低复杂度 低功耗 低速率 低成本的双向无线通讯技术 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概述 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概述 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 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 ZigBee概述 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 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 ZigBee概述 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 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 采用了AES 128的加密算法 各个应用可以灵活确定其安全属性 ZigBee概述 ZigBee和其他两大主要无线网络科技的比较 ZigBee概述 ZigBee联盟组成成立于2001年9月成员为半导体厂商 无线IP供应商 OEM厂商及终端用户拥有150个成员 包括飞思卡尔 菲利普 三菱 三星 IBM及华为等ZigBee联盟的宗旨在一个开放式全球标准的基础上使稳定的 低成本的 低功耗的 无线联网的监控和控制产品成为可能 ZigBee概述 ZigBee联盟的部分会员 CompXs ZigBee技术体系 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技术体系 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技术体系 ZigBee路由器 Router 它执行的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技术体系 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 看它自己的选择 因此它能作为电池供电节点 ZigBee技术体系 ZigBee网络拓扑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技术体系 星型 网状型 簇状型 网络协调器 全功能设备 FFD Router 可以支持任何一种拓扑结构 可以作为网络协商者和普通协商者 并且可以和任何一种设备进行通信 精简功能设备 RFD 只支持星型结构 不能成为任何协商者 可以和网络协商者进行通信 实现简单 ZigBee技术体系 ZigBee技术体系 MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能 网络可以通过多级跳的方式来通信 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络 网络还具备自组织 自愈功能 ZigBee网状 MESH 网络 ZigBee技术体系 1 Mesh是一种特殊的 按接力方式传输的点对点的网络结构 其路由可自动建立和维护 2 通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知 一个ZigBee网络只有一个网络协调器 但可以有若干个路由器 3 协调器负责整个网络的建网 同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点 网关 4 构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件 FFD 而构成终端设备的器件可以是全功能器件 也可是简约功能器件 RFD ZigBee技术体系 ZigBee采用的路由算法ZigBee采用按需路由算法AODV 在节能和网络性能上都有着很大的优势 AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法 只保持需要的路由 而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由 节点仅记住吓一跳 而非像源节点路由那样记住整个路由 它能在网络中的各移动节点之间动态地 自启动地建立逐跳路由 当链路断开时 AODV会通知受影响的节点 从而使这些节点能被确认为无效路由 AODV允许移动节点响应链路的破损情况 并以一种及时的方式更新网络拓扑 AODV操作是无还回的 并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题 特别是当一个节点进入网络时 ZigBee技术体系 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Zig Bee联盟制定 IEEE802 15 4负责物理层和链路层标准 ZigBee技术体系 ZigBee协议栈模型 ZigBee技术体系 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技术体系 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技术体系 网络层功能 1 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 2 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 ZigBee技术体系 3 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技术体系 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应用领域 ZigBee适应的应用场合 低速无线设备 工业 农业和商业 消费电子 个人健康监护 玩具和游戏 家庭自动化 PC机的外围设备 ZigBee应用领域 ZigBee技术的主要应用领域 消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域 ZigBee应用领域 结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络 ZigBee应用领域 基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信 ZigBee应用领域 ZigBee技术在石油石化行业的应用 液化天然气罐远程监控 汽油管线的腐蚀监测 润滑油供应链 汽油管线侵入者监测 液化天然气容器跟踪 ZigBee应用领域 ZigBee技术在石油石化行业的应用 化工产品铁路槽车的远程信息处理 游船引擎震动监控 油罐车驾驶员安全措施 ZigBee应用领域 基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络 ZigBee应用领域 基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统 采用MESH网状网络结构 保证数据传输的可靠性 每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点一个小区设置一个ZigBee中心节点ZigBee中心节点数据通过GPRS CDMA或ADSL上传到集抄中心 ZigBee应用领域 基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统 ZigBee应用领域 基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络 采用MESH网状网络结构 保证数据传输的可靠性每个水文水利计量处设置一个ZIGBEE远端节点一个区域监测点设置一个ZIGBEE中心节点ZIGBEE中心节点数据通过GPRS CDMA或ADSL上传到监测中心 ZigBee应用领域 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统 交通路口控制通信 ZigBee应用领域 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统 远程实时控制通信 ZigBee应用领域 医院对病患 监护设备及设施进行医疗和健康监控 借助于各种传感器和ZIGBEE网络 准确且实时地监测病人的血压 体温和心跳速度等信息 从而减少医生查房的工作负担 有助于医生作出快速的反应 特别是对重病和病危患者的监护治疗 ZigBee应用领域 基于ZigBee技术的无线点餐系统通信解决方案 ZigBee产品 ZigBee产品1 日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络实验机目的 测定ZigBee电波传播特性测定太阳能电池供电性能测定移动装置定位性能推进利用ZigBee构筑无所不在的传感器网络 ZigBee产品 ZigBee产品 2 OKI的ZigBee生物传感器节点应用在医院等医疗单位患者实时身体状况信息通过ZigBee网络传送给医生或护理师 ZigBee产品 3 日立的压力检测传感器用于大型机械和建筑物的安全监控支持ZigBee规格 通信距离达100米每5分钟通信一次 1节5号锂电池可工作3年以上 ZigBee产品 4 三菱的ZigBee无线传感器尺寸 5 4cmx4 4cmx0 8cm传感器模块配备温度 湿度 加速度 光照度 紫外线 人体感应及声压传感器用于家庭保安系统 ZigBee产品 5 韩国Pantech Curitel手机全球第一个内嵌ZigBee模块手机可实现对家庭电灯 电脑的开关和对湿度 温度的控制 ZigBee产品 6 Lusora垂饰专为老人提供居家安全保障内嵌照相机 加速计 各类传感器和收发器配合家居其他ZigBee传感器网络 ZigBee产品 7 菲利普楼宇无线照明控制照明开关 光暗控制可根据光线亮度自动调节网络可随意增添传感器 小结 自从Bluetooth出现以后 曾让工业控制 家用自动控制 玩具制