物联网概述：第5章 zigbee简介

Zigbee概述目标：本章在向学员介绍无线传感网体系中传输层所使用的相关技术，通过本课的学习，学员应该掌握如下知识：

zigbee协议栈结构

zigbee网络模式zigbee应用学时：25.1无线传感网传输层的主要技术按传输的方式分为：有线网络无线网络按距离的方式分为：短距离长距离

因物联网构成的特点，在其传输层主要应用的技术为无线网络技术，所以基于以下的技术会成为构建物联网整个体系的关键技术：短距离无线传输；ZigBeeWiFi(Wlan)Bluetooth(蓝牙)长距离无线传输：GPRSWCDMATD-SCDMAGSM5.1无线传感网传输层的主要技术5.1.2无线技术

无线技术的参数分布101001,00010,000101001,00010,000100,000速率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bluetooth3GHiperLAN/2Bluetooth2.0距离（米）802.11bZigBeeWiMediaBluetooth1.55.1.2无线技术短距离无线技术比较

特性IEEE802.11bWi-FiIEEE802.15.3蓝牙IEEE802.15.4/ZigBee

电池寿命

几小时

几周

6-24个月

复杂程度

非常复杂

复杂

简单

节点/主节点

32个

7个

65000个

接入网络速度最长3秒最长10秒1秒以内

覆盖范围100m10m30-300m

可扩展性可以漫游不可以漫游可以漫游

有效吞吐量5Mbps-7Mbps700Kbps100Kbps

安全验证服务装置ID(SSID)64位，128位128位AES和应用层

应用电脑联网文件传输传感和控制5.2了解ZigBeeZigBee名称 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ZigBee是一种短距离、低功耗(发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式)的无线网络技术，主要由ZigBee联盟制定，其底层是采用IEEE802.15.4标准规范的MAC与PHY层类似于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75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展5.2.1ZigBee联盟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，它们将加盟“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。5.2.2ZigBee的发展

2004年，ZigBee联盟发布了ZigBee1.0，但这个时候的ZigBee只能组成星状网和树状网，不能组成网状网，而且稳定性极差，只能用于学习和研究。 到了2006年，ZigBee联盟了发布ZigBee2006（ZigBee1.1），同年，TI完成对chipcon的收购，进入ZigBee开发的阵营。

2007年年底，ZigBee联盟发布ZigBee2007/PRO（ZigBeeProFeature）。

2008年，802.15.4c标准通过5.2.3ZigBee芯片目前全球有多家公司供应ZigBee芯片，附表说明：公司代表芯片TI（美国德州仪器）CC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530RadioPulse(韩国)MANGO-MG2400/MG2450Jennic(英国捷力)JN5152Microchip(美国微芯半导体)MRF24J40MAFreescaleMc13191/192AtmelAT86RF212(900Mhz)5.2.4ZigBee技术特点低功耗，两支干电池可支持节点工作半年以上。

这是ZigBee的突出优势（在传感控制领域）。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。低速度，最高带宽250kbps@2.4G,40kbps@915M,20kbps@868M.2Mbps的规范目前也正在研究当中。近距离，一般通信距离在100m，目前增加RF发射功率后可以扩展到1km。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（理论上无限）5.2.4ZigBee技术特点高容量，结点的理论上限65535个，实际上用51核的soc能做到200个，在推出ARM+ZigBee的芯片后应该有较大的提高。低延时，醒唤时间小于15ms，节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能，相比较,蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。短时延，一般的通信延迟在ms级低成本，ZigBee芯片已经大幅降价通过大幅简化协议(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。每块芯片的价格大约为8美元。高安全，AES-128加密（目前最好的文本加密算法之一）免执照，2.4G全球ISM波段，915M（美国），868（欧洲）。5.2.3ZigBee协议栈协议栈结构图5.2.3ZigBee协议栈协议栈内部结构5.2.3ZigBee协议栈ZigBee协议栈是基于标准的开放式系统互联（OSI）七层模型，但是仅定义了那些相关实现预期市场空间功能的层。

IEEE802.15.4-2003标准定义了两个较低层：物理层（PHY）和媒体访问控制子层（MAC）

ZigBee联盟在此基础上建立了网络层（NWK）和应用层构架。应用层构架由应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用对象组成。5.2.3ZigBee协议栈A设备的应用层提出要求，形成应用层的要求，然后到网络层形成了网络层的帧，然后到MAC层加上MAC层的格式然后到物理层，处理一下形成物理帧，然后收发机就发了。当B收到了A的内容经过他的物理层去掉物理层的格式化的内容然后再到MAC层进行分析，顺次到达B的应用层，经过了层层剥离最后获得了A的应有层的信息，即知道了A想要干什么。这是几乎所有的通信协议都遵从的通信逻辑。A应用层A网络层AMAC层A物理层B应用层B网络层BMAC层B物理层5.2.3ZigBee协议栈物理层(PHY)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。5.2.3ZigBee协议栈数据链路层功能：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调器同步；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(载波监听多路访问/冲突检测方法)；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。5.2.3CSMA/CACSMA：载波侦听多路访问CSMA是典型的基于竞争的随机访问MAC协议。基本思想是当节点需要发送数据时，通过竞争方式使用无线信道，如果发送的数据产生了碰撞，就按照某种策略重发数据，直到数据发送成功或放弃发送。在无线局域网IEEE802.11MAC协议的分布式协调工作模式中，就采用了带冲突避免的载波侦听多路访问(CSMAwithCollisionAvoidance，CSMA/CA)协议，它是基于竞争的无线网络MAC协议的典型代表。

所谓的CSMA/CA机制是指在信号传输之前，发射机先侦听介质中是否有同信道载波，若不存在，意味着信道空闲，将直接进入数据传输状态；若存在载波，则在随机退避一段时间后重新检测信道。这种介质访问控制层的方案简化了实现自组织网络应用的过程。CSMA/CA＝载波监听多路访问/冲突避免传送数据无线链路是否空闲是否利用NAV来保证数据传输，并进行数据传输。也可以利用RTS/CTS来保证传输。随机为帧选定一段退避的时间，并在时间段后再进行尝试5.2.3CSMA/CA5.2.3CSMA/CA:NAVNAV=网络分配矢量NAV用来说明该帧预计要占用媒介多少时间(单位微妙)。只要NAV值不为零，那么就代表媒介处于忙碌状态，这是载波监听功能判断媒介是否空闲的标准。5.2.3CSMA/CA:NAV-Beacon5.2.3CSMA/CA:NAV-Data5.2.3CSMA/CA:RTS与CTSRTS(RequesttoSend)CTS(CleartoSend)工作站我有一个帧要传送，但我通过侦听发现网络拥挤，不好挤工作站发送RTS帧并在RTS的帧头上标注出所需要的NAV接收端为了保证此帧的传送，会以CTS帧响应并在CTS的帧头上也标注出所需要的NAV当帧的大小超过设置的阀值时5.2.3ZigBee协议栈ZigBee的NWK层的职责应该包括的采用机制：1

加入和离开一个网络2.为帧运用安全功能3.为到预定目的地的帧寻找路由4.发现和维护设备之间的路由5.发现邻居6.存储相关的邻居信息5.2.3ZigBee协议栈应用汇聚层功能：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5.2.4ZigBee网络ZigBee组网ZigBee标准网络定义了三种设备类型(ZigBeedevicetype):协调器(coordinator)路由器(router)端节点(enddevice)5.2.4ZigBee网络1.协调器（Coordinator）：它是一个FFD节点，负责整个网络的管理工作。每个网络中有只有一个协调者。它具有以下几个功能：选择所用网络的信道；从协调者开始，启动网络；分派网络地址；允许其他设备加入或者退出其网络；保存邻接表和路由信息；传输应用数据包；2.路由器（router）：它是一个FFD节点，一般被应用于树形或者Mesh拓扑结构中扩大网络覆盖量。它用于去找到从源点到终点的一条最佳路径来传输信息。路由节点除了不能建立网络之外，和协调者相比较类似。3.端节点（Enddivice）：它是一个RFD节点，被用于连接到路由节点或者协调器。终端节点完成以下2个任务：加入或者离开网络；传输应用数据包；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5.2.4ZigBee网络描述5.2.4ZigBee网络网络拓扑ZigBee网络有三种组网方式，星型网、簇型网和网状网，其中只有路由节点与协调员节点才具有转发功能，也是由它们构建网络框架5.2.4ZigBee网络另外，直接使用IEEE802.15.4底层的还可以使用两种组网方式，点对点模式(P2P)和多点(P2M)模