Zigbee技术应用文献调研

Zigbee技术应用文献研究北京丫蛋天地物联网技术开发公录Zigbee技术应用文献研究1第1章ZIGBEE概述41.1紫蜂4的定义和特性1.1.1紫蜂游戏攻略41.1.2紫蜂技术特征51.2 ZIGBEE关键组件51.2.1网络射频芯片51.2.2微控制器91.2.3 ZIGBEE协议栈(ZIGBEE软件)111.3紫蜂与其他短程通信技术的比较121.3.1蓝牙121.3.2 WIFI171.3.3无线USB201.3.4超宽带221.3.5 WIMAX231.4 ZIGBEE国际标准271.4.1 ZIGBEE协议由27个组成1 . 4 . 2 IEEE 802 . 15 . 4技术标准28的发展1.4.3紫蜂标准32的开发第二章ZIGBEE发展现状及趋势332.1 ZIGBEE联盟332.2全球ZIGBEE发展趋势332.2.1全球ZIGBEE市场概述342.2.2全球ZIGBEE产品供应和需求342.2.3全球ZIGBEE应用市场潜力352.3中国ZIGBEE发展趋势352.3.1华立仪器362.3.2华为362.3.3上海周顺网络技术有限公司372.3.4蓝色部分372.3.5北京交行自动化技术有限公司38第三章ZIGBEE应用403.1 ZIGBEE应用领域403.1.1工业应用403.1.2精准农业应用433.1.3家庭和建筑自动化领域453.1.4医疗领域473.1.5消费和家庭自动化市场473.1.6在道路方向和促进安全出行方面483.1.7汽车行业3.2 ZIGBEE应用示例483.2.1基于ZIGBEE技术的无线订购系统通信解决方案483.2.2基于ZIGBEE技术的管道监控无线数据传输网络493.2.3基于ZIGBEE技术的无线三表远程抄表系统513.2.4基于ZIGBEE技术的水文水资源监测无线数据传输网络553.2.5 ZIGBEE智能交通控制系统无线通信方案573.2.6医院对患者进行医疗和健康监测，监测设备和设施593.2.7无线网状网在世界上的两个主要应用633.2.8在石化工业和油田中的应用66第四章ZIGBEE相关厂商研究744.1微控制器和射频收发器组件制造商754.1.1 CHIPCON754.1.2 HELICOMM774.1.3飞思卡尔784.1.4 JENNIC)804.1.5 ATMEL824.1.6硅LABS844.1.7 EMBER854.1.8集成协会854.1.9大成电子864.1.10 OKI864.1.11放射性脉冲894.2紫蜂协议栈91的制造商4.2.1微型芯片914.2.2台湾投资政策委员会网络多媒体研究所924.2.3空运924.2.4 EMBER934.3 ZIGBEE模块944.3.1 DIGI国际944.3.2华宝通信944.3.3松下电子仪器公司95参考文献：96篇第1章ZIGBEE概述1.1紫蜂的定义和特征ZigBee技术是一种无线通信技术，应用于短距离和低传输数据速率的各种电子设备。ZigBee的名字来自蜜蜂生存和发展所使用的通讯方式。蜜蜂用之字形舞蹈告知新发现食物来源的位置、距离和方向，这是新一代无线通信技术的名称。在过去，紫蜂也被称为“HomeRF Lite”、“射频易链接”或“萤火虫”无线电技术，现在统称为紫蜂技术。1.1.1紫蜂简介Zigbee是一种新型的短距离、低速、低功耗无线网络技术。这是无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。它以前被称为“HomeRF Lite”或“萤火虫”无线技术，主要用于短程无线连接。它有自己的无线电标准，可以协调成千上万个微型传感器之间的通信。这些传感器只需要低功耗，并且通过无线电波以中继方式将数据从一个传感器传输到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，数据可以进入计算机进行分析，或者通过另一种无线技术(如WiMax)进行收集。Zigbee的基础是IEEE802.15.4，它是IEEE个人区域网(PAN)工作组的标准，被称为IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。Zigbee不仅仅是802.15.4的名字。IEEE只处理低层MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟将其网络层协议和API标准化。完整协议用于4K字节，可以一次直接连接到一个设备的基本节点，或者用于充当集线器或路由器协调器的32K字节。每个协调器最多可以连接255个节点，而几个协调器可以组成一个网络，对路由传输的数量没有限制。Zigbee联盟还开发了一个安全层，以确保该便携式设备不会意外泄露其身份，并且使用网络的这种长距离传输不会被其他节点获得。1.1.2紫蜂技术特征Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：*低数据传输速率：仅10k字节/秒至250k字节/秒，侧重于低传输应用；*低功耗：在低功耗待机模式下，两块普通的5号干电池可使用6个月至2年，从而避免了充电或频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee支持者一直引以为豪的一个独特优势。*低成本：Zigbee数据传输速率低，协议简单，成本大大降低。紫蜂协议是免版税的。*短延迟：通常延迟在15毫秒到30毫秒之间；*安全性：紫蜂提供数据完整性检查和认证功能。AES-128用于加密算法，同时其安全属性可以灵活确定。*网络容量大：每个紫蜂网络最多可以支持255台设备，即每个紫蜂设备可以连接另外254台设备；*卓越的网络拓扑能力：ZigBee具有星型、树形和集群网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网络自愈能力，并且可以简单地覆盖很广的范围。*有效范围小：有效覆盖范围为10-75米，视实际传输功率和各种应用模式而定，基本可以覆盖普通家庭或办公环境；*灵活的工作频带：使用的频带是2.4千兆赫(全球)、868兆赫(欧洲)和915兆赫(美国)，这些都是未经许可的频带。1.2 ZIGBEE关键组件1.2.1网络射频芯片射频收发器是支持zigBee技术的平台解决方案的一个组成部分。处理设备(如微控制器或数字信号处理器)必须集成IEEE802.15.4MAC和ZigBee软件以形成一个完整的解决方案。以飞思卡尔ZigBee射频芯片MC13192为例，介绍其原理和应用。MC13192是一款IEEE 802.15.4标准射频收发器芯片，配有飞思卡尔提供的数据调制解调器。该芯片性能稳定，功耗低。它采用低成本的CMOS设计，几乎不需要外部元件。更重要的是，芯片和飞思卡尔的其他紫蜂产品可以结合在一起，建立一个飞思卡尔紫蜂就绪平台。利用该平台开发ZigBee相关方面可以有效缩短工程师的开发时间，降低开发成本。主要特点：MC13192具有以下特点：(1)它有16个通道；(2)典型发射功率为0dBm，最大发射功率达到3.6dBm；(3)采用DSSS扩频通信技术，最大速率为250Kbps；(4)当误包率为1%时，接收灵敏度达到-92分贝(典型值)；(5)七个通用输入/输出端口(GPIO)。整个ZigBee节点由AAA电池供电。MC13192符合IEEE 802.15.4标准，其选择的工作频率为2.4052.480GHz，数据传输速率为250kbps，采用O-QPSK调试模式。这种功能丰富的双向2.4千兆赫收发器有一个数据调制解调器，可用于紫蜂技术应用。它还具有优化的数字内核，有助于降低微控制器的处理能力，缩短执行周期。内部集成了四个时序比较器，使其能够与性能更低、价格更低的微控制器配合使用，以降低成本，广泛的中断维护服务使微控制器编程更容易。芯片与单片机之间采用串行外设接口，为单片机选择提供了更大的空间。芯片集成的连接质量和功率检测功能可以为组网和维护提供必要的数据。此外，该芯片具有以下特点：全频谱编码和解码；经济高效的CMOS设计几乎不需要外部元件。基带微控制器的可编程时钟；标准4线SPI(工作频率为4兆赫或更高)；扩展范围性能(使用外部低噪声放大器功率放大器)；可编程输出功率，通常为0dB；超低功耗模式；7条GPIO线；该芯片采用2.7V电源，接收状态功耗为37mA，发射状态功耗为30mA，功耗非常低。QFN-32包装，尺寸为5毫米和5毫米，是同类产品中最小的。图1内部结构芯片的内部结构如图1所示。该芯片主要由模拟收发部分、数字调制解调部分、片上频率合成器、电源管理部分和单片机接口部分组成。从天线接收到的射频信号经过两次下变频后，被转换成两个正交信号(输入和输出)。片内集成CCA(自由信道评估)模块根据接收基带信号的能量执行自由信道评估和检测。前端的CCA和LNA(低噪声放大器)都由自动增益控制(自动增益控制)控制。数字接收机经过差分码片检测(DCD)后，通过相关器对直接序列扩频DSSS进行解扩，最后经过符号同步检测和分组处理得到接收数据。它通过串行接口传输到单片机。待传输的128字节信号由单片机通过串行接口传输到单片机13192的传输缓冲区。头帧和帧检测序列由MC13192产生。根据IEEE802.15.4标准，要传输的数据流的每4位由32码片扩频序列扩频。扩频信号被发送到相位开关调制器，通过直接上变频以QPSK方式调制到载波，然后通过天线发送。该芯片还集成了频率合成器、电源管理模块、定时器、中断确定器和用于接收和发送的存储电路。图2应用电路图2是应用于ZigBee网络终端设备的典型应用电路。待传输的信号从单片机通过SPI端口传输到MC13192，通过扩频QPSK调制到载波上，然后通过传输路径从天线传输出去。来自天线的射频信号通过接收通道传输到单片机13192，经解调和解扩后得到原始数据，再通过串行接口传输到单片机。微控制器还控制接收和发送信道的切换。电路中的射频信号采用差分输入输出方式。该天线使用与输入和输出匹配的平衡印刷线天线。当然，根据实际设计要求，可以用芯片天线代替印刷线天线。从天线接收到的射频信号通过由L3和C12组成的窄带匹配网络和单刀双掷开关PG2120TK-E2传输到变压器Z1，由Z1分解成两个差分信号，传输到芯片的两个射频信号输入引脚RIN_M和RIN_P。待发射的两个射频信号从芯片的两个射频信号输出端PAO_P和PAO_M输出，通过变压器Z2合成一个信号，通过单刀双掷开关PG2120TK-E2和由L3和C12组成的窄带匹配网络，然后发射到天线进行发射。应该注意的是，芯片的PAO和PAO引脚需要连接到芯片的VDDA，并且它们通过电路中的变压器Z2连接。考虑到晶振对通信质量的影响，排版印刷电路板时，晶振应尽可能靠近芯片的XTAL1和XTAL2引脚。电容器C5和C6的值应该与晶体振荡器负载电容一致。MC13192芯片规定的晶振频率为16MHz，稳定性应在40ppm之间。芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO引脚是芯片内部电源管理部分的输出，用于向芯片的其他部分供电。在实际应用中，这些输出对旁路电容的要求相对较高。设计印刷电路板时，旁路电容也应尽可能靠近相应的输出引脚。该芯片通过标准的四线SPI接口与单片机相连，可以在8MHz或更低的频率下工作，以满足芯片的使用要求。该芯片可以通过CLK0引脚向单片机输出时钟信号。时钟通过SPI接口编程，默认值为32.768赫兹(16兆赫/488)。将芯片的引脚连接到微控制器的通用输入输出端口，可以使微控制器轻松控制芯片的工作模式。当然，也可以通过额外的电路如开关来扩展操作模式的控制，以满足实际需要。在本例中，微控制器通过GPIO端口连接到芯片的RXTXEN引脚，以初始化芯片的收发器操作。芯片还可以将此引脚设置为高电平，并通过SPI编程来初始化芯片的收发器操作。微控制器通过GPIO端口连接到芯片的引脚，以便在必要时复位芯片。1.2.2微控制器MCU选择：MC13192芯片只是ZigBee技术平台解决方案的一个组成部分。在具体实施中，必须根据实际需要选择合适的加工设备。所选的处理设备必须集成IEEE802.15.