物联网技术及应用

物联网技术

及其应用

南京邮电大学

教授、博士生导师张顺颐

2010，3，27

7/19/20241整理课件物联网及其发展几十年来互联网获得了极大的发展，已经成为人类社会和人类生活不可或缺的信息网络系统；互联网下一个发展方向，除了扩大覆盖、提高速度、加大容量、增加网民（包括地址）无线接入等，向物联网发展也是一个重要的动向；我们可以通过互联网了解世界（各地发生的事情）在物联网普及以后，我们就可以感知世界上发生的事情；物联网大体上就是技术界以往所说的传感网；其基本架构应该是互联网网络为主体，加上可以感知客观事物的有线、无线接入的传感器网络；7/19/20242整理课件什么是传感网（物联网）？物联网，基本上就是我们以前称为传感网的网络。IBM在前年提出，美国总统奥巴马上台以后，为了解决经济危机，接过这一事物，提出“智慧地球”的概念；温家宝总理2009，8视察江苏无锡时，提出把“智慧中国”的中心建在无锡。江苏省委和省政府非常重视。正在全力贯彻落实。近日，倾向于把物联网称为传感网。传感器网、传感网、物联网、互联网、因特网：关联和区别；7/19/20243整理课件什么是传感网（物联网）？传感器网：把各种传感器连接起来的网络，这种连接可以是无线，也可以是有线；目前学界对于传感器网、传感网、物联网尚无一个明确的定义；可以认为，传感网强调以感知为目的，物联网倾向于传感器的连接为特征；但是两者都是以互联网为基础的。但是对于互联网、因特网则有科学的定义；INTERNET；因特网Internet；互联网7/19/20244整理课件什么是物联网？传感网是以感知为目的，实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络。传感网突出的特征是通过传感器等方式获得物理世界的多种信息，结合互联网、移动通信网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析与处理，从而提升对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制。物联网应该有更规范的内涵，例如物联网也包括网络控制为目的，而传感网更强调以感知为目的；7/19/20245整理课件什么是物联网？物联网将各种信息传感设备、控制设备，例如射频识别装置（RFID）、红外感应装置、全球定位系统（GPS）、激光扫描器等与互联网结合起来形成一个不仅仅是人在使用，也可以把各种其它信息（不仅仅是文字、语言、数字、图像）通过互联网进行传递、处理、存储、检测等。以提高人类社会的信息化、自动化水平。物联网的用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府政务、公共安全、平安家居、智能消防、工业检测、病老护理、个人健康等多个领域。业界普遍认为物联网是继计算机、互联网、移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。7/19/20246整理课件什么是物联网？物联网的要素，首先是要把物体连接到网上；其次是要把这个物体的信息传到互联网上；物联网的工作，就是获取信息、传送信息、处理信息、存储信息、显示信息；美国的研究机构Forrester预测，物联网的产业价值和规模，要比互联网大30倍，将会形成下一个万亿元级别的产业；7/19/20247整理课件传感网与无线通信传感网中使用的几种通信技术：1、移动通信：2G、3G、B3G、LTE；2、无线局域网：WiFi：无线局域网，802.11，校园网；WiMAX：无线城域网，802.16，已成为3G标准3、超宽带UWB：特征是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。工作频率3.1G-10.6GMHz，低功耗，如射频标签RFID（RadioFrequencyIdentification也称电子标签、无线电频率识别）。7/19/20248整理课件传感网与无线通信4、ZigBee：低功耗、近距离的无线组网通信技术；802.15.4（s）;5、NFC（近场通信），双向RFID，可实现设备之间的近距离通信（20cm，比兰牙短，但是不需要加密）；6、兰牙（Bluetooth）、红外（IiRD）；7/19/20249整理课件传感器的种类信息（例如RFID中的各种读卡器）温度、温限压力测力、压力、重力；液位、水位测量、流体、流量电机保护光敏荷重、称重传感器闸门开度（高度）7/19/202410整理课件传感器的种类气体、气味、口臭、室内空气、风速湿度灰尘红外漏电、电导PH值7/19/202411整理课件传感器的种类酒精AQS环境控制卤素浓度生物传感器热学量位置、安防光纤光栅指纹、触摸7/19/202412整理课件传感器的种类磁阻倾角视觉、图像压电、静电、电流、电压加速度霍尔位置微波7/19/202413整理课件物联网的工作模式物联网的工作模式较多，但是目前主要分为射频识别（射频标签）RFID和ZigBee，因为国际标准化组织目前主要在这两种应用中制定了一系列的标准；射频识别（射频标签）RFID主要是应用读卡器和应答器之间的信息传输完成工作；ZigBee则主要是工作于网络系统；7/19/202414整理课件RFID射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。RFID系统中，识别信息存放在电子数据载体中，电子数据载体称为应答器。应答器中存放的识别信息由阅读器读出。阅读器不仅可以读出存放的信息，而且可以对其进行写入，读写过程是通过双方之间的无线通信来实现的。7/19/202415整理课件RFID应答器（射频卡或标签）射频卡

7/19/202416整理课件RFID应答器（射频卡或标签）标签7/19/202417整理课件RFID阅读器（读写器或基站）

7/19/202418整理课件RFIDRFID的基本原理框图

射频卡或电子标签读写器或基站7/19/202419整理课件RFID的工作频率RFID的工作频率可划分为：1、LF：低频30－300KHz，常用125KHz；2、HF：高频3－30MHz，工作频率为13.56MHz;3、UHF：特高频300MHz－3GHz，工作频率：433MHz，866－960MHz，2.45GHz；4、SHF：超高频3－30GHz，工作频率：5.8GHz、24GHz；0f(Hz)30k300k3M30M300M3G30G125k13.56M常用：433M866～960M5.8G工作频率分布图

LF1MHFUHF1G1K7/19/202420整理课件电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式电感耦合阅读器应答器电感耦合方式的电路结构信息7/19/202421整理课件电感耦合方式RFID的工作原理1、阅读器为有源工作，应答器无源工作；2、L1、C1；L2、C2均工作在射频源VS的谐振频率；3、阅读器L2的磁场变化产生电压整流后供阅读器使用；4、阅读器向阅读器的数据传输采用内部的二进制数据编码信号控制开关S，使得负载电阻R2被接通或者断开，通过耦合使L1产生变化的电压，经调制、解码即可；5、阅读器向阅读器的数据传输，是通过数字调制的方式实现的，多采用ASK（幅频监控）的方式；7/19/202422整理课件电感耦合方式RFID的工作原理RIFD工作方式负载调制

负载调制的原理示意图7/19/202423整理课件反向散射耦合RFID工作方式目标的反向散射耦合RIFD工作方式反向散射耦合电源电路用于吸收耦合的功率；7/19/202424整理课件反向散射方式RFID的工作原理声表面波（SurfaceAcousticWave，SAW）器件是以压电效应和与表面弹性相关的低速传播的声波为依据。7/19/202425整理课件反向散射方式RFID的工作原理

声表面波应答器以压电效应和避免弹性相关的低速传播的声波为依据，加以体积小、重量轻、工作频率高、相对带宽较高，并且可采用与集成电路芯片工艺相同的平面加工工艺，制造简单，工艺的一致性好，灵活性高；7/19/202426整理课件反向散射方式RFID的工作原理换能器的作用是将电信号转换为声波。它利用压电衬底在电场作用下的膨胀和收缩效应。指状电极上的电位差形成电场。射频信号一起雅典衬底的振动，从而沿其表面产生声波，经反射返回换能器在转换成射频脉冲的序列的电信号，经偶极子天线回传至阅读器；7/19/202427整理课件RFID谐波检测法的工作原理：基于反向散射耦合方式，它可用于电子防盗系统谐波法原理

7/19/202428整理课件RFID射频识别的应用系统构架1、最简单的应用系统只有单个阅读器，它一次对一个应答器进行操作，如公交汽车上的票务操作。2、较复杂的应用需要一个阅读器可同时对多个应答器进行操作，即要具有防碰撞（亦称防冲突）的能力。3、更复杂的应用系统要解决阅读器的高层处理问题，包括多阅读器的网络连接。7/19/202429整理课件RFID应答器的主要性能参数工作频率读/写能力编码调制方式数据传输速率信息数据存储容量工作距离多应答器识读能力（亦称防碰撞或防冲突能力）安全性能（密钥、认证）等。7/19/202430整理课件RFID无源、半无源与有源应答器无源应答器：不附有电池，从阅读器发出射频能量中提取工作所需的电能。采用电感耦合方式的应答器多为无源应答器。

半无源应答器：内装有电池，起辅助作用，对维持数据的电路供电或对应答器芯片工作所需的电压作辅助支持，用于传输通信的射频能量源自阅读器。

有源应答器：工作电源完全由内部电池供给，同时内部电池能量也部分地转换为应答器与阅读器通信所需的射频能量。

7/19/202431整理课件RFID应答器电路的基本结构7/19/202432整理课件RFID阅读器的功能1、以射频方式向应答器传输能量；2、从应答器中读出数据或向应答器写入数据；3、完成对读取数据的信息处理并实现应用操作；4、若有需要，应能和高层处理交互信息。7/19/202433整理课件RFID阅读器的电路组成

7/19/202434整理课件RFID天线天线的目标是取得最大的能量传输效果。RFID系统所用的天线类型主要有偶极子天线、微带贴片天线、线圈天线等。在应答器中，天线和应答器芯片封装在一起。7/19/202435整理课件RFID相关的自动识别技术自动识别技术：包括条形码、接触式IC卡、生物特征识别、光学字符识别（OCR）以及射频识别（RFID）等。条形码（BarCode）技术：最早产生在20世纪20年代，由一组规则排列的条和空、相应的数字组成。其它......7/19/202436整理课件RFIDRFID的应用RFID应用领域广泛，且每种应用的实现，都会形成一个庞大的市场，因此可以说射频识别是一个重要的新的经济增长点。目前，RFID在票务系统（城市公交车、高速公路收费、门票等）、收费卡、城市交通管理、安检门禁、物流、家政、食品安全追溯、药品、矿井生产安全、防盗、防伪、证件、集装箱识别、动物追踪、运动计时、生产自动化、商业供应链等众多领域获得广泛重视和应用。7/19/202437整理课件RFIDRFID的应用第二代身份证7/19/202438整理课件RFID

RFID技术被认为是近30年来10大最具生命力的技术之一，它正朝着无所不在的方向快速发展。7/19/202439整理课件“有了无线识别（RFID）技术，还需要管家吗？”——胡锦涛2006-04-18美国西雅图微软“未来之家”7/19/202440整理课件RFID的ISOIEC标准标准的作用确保协同工作的进行，规模经济的实现，工作实施的安全性以及其他许多方面RFID标准化的主要目的在于通过制定、发布和实施标准，解决编码、通信、空中接口和数据共享等问题，最大程度的促进RFID技术及相关系统的应用标准采用过早，有可能会制约技术的发展和进步；采用过晚，可能会限制技术的应用范围。7/19/202441整理课件RFID标准涉及的内容RFID标准涉及的主要内容包括技术（接口和通信技术，如空中接口、防碰撞方法、中间件技术、通信协议）一致性（数据结构、编码格式及内存分配）电池辅助及与传感器的融合应用（如不停车收费系统、身份识别、动物识别、物流、追踪、门禁等，应用往往涉及有关行业的规范）7/19/202442整理课件RFID标准的分类国际标准：由ISO（国际标准化组织）IEC（国际电工委员会）负责制定；国家标准：由工业与信息化部与国家标准化管理委员会负责制定；行业标准：有国际、国家的行业组织制定，例如国际物品编码协会（EAN）与美国统一代码委员会（UCC）制定的用于物体识别的EPC标准；此外，还有涉及道德、伦理、健康、数据安全、隐私等的规范；7/19/202443整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC（国际标准化组织和国际电工委员会）制定的RFID标准概况技术标准：ISO/IEC10536、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000系列标准等数据结构标准：ISO/IEC15424、ISO/IEC15418、ISO/IEC15434等性能标准：ISO/IEC18046、ISO/IEC18047、ISO/IEC10373-6等应用标准：ISO/IEC10374、ISO/IEC18185、ISO/IEC11784等7/19/202444整理课件ISO/IEC制定的RFID技术标准ISO/IEC10536：密耦合CICC非接触式IC卡标准（紧靠）ISO/IEC14443：近耦合PICC非接触式IC卡标准<10cmISO/IEC15693：疏耦合VICC非接触式IC卡标准约50cmISO/IEC18000系列标准（基于物品管理RFID的空中接口参数）ISO/IEC18000－1：空中接口一般参数ISO/IEC18000－2：低于135KHz频率一般空中接口参数ISO/IEC18000－3：13.56MHz频率下的空中接口参数ISO/IEC18000－4：2.45GHz频率下的空中接口参数ISO/IEC18000－6：860－930MHz的空中接口参数ISO/IEC18000－7：433MHz频率下的空中接口参数7/19/202445整理课件ISO/IEC制定的RFID数据内容标准ISO/IEC15424：数据载体/特征标识符ISO/IEC15424：EAN、UCC应用标识符及ASCMH10（ANSI标准）数据表示符ISO/IEC15424：大容量ADC媒体用的传送语法ISO/IEC15424：物品管理的唯一标识号ISO/IEC15424：数据协议：应用接口ISO/IEC15424：数据编码规则与逻辑存储功能协议ISO/IEC15424：射频标签（应答器）的唯一标识7/19/202446整理课件ISO/IEC制定的RFID性能标准ISO/IEC18046：RFID设备性能测试方法ISO/IEC18047：有源和无源的RFID设备一致性测试方法ISO/IEC10373－6：按ISO/IEC14443标准对非接触式IC卡进行参数的方法7/19/202447整理课件ISO/IEC制定的RFID应用标准ISO/IEC10374：货运集装箱识别标准ISO/IEC18185：货运集装箱密封标准ISO/IEC11784：动物RFID的代码结构ISO/IEC11785：动物RFID的技术准则ISO/IEC14223：动物追踪的直接识别数据获取标准ISO/IEC17363和17364：一系列物流容器（如货盘、货箱、纸盒等）识别的规范7/19/202448整理课件RFID的ISOIEC标准和RFID技术相关的标准无线通信管理频谱分布、功率、电磁兼容等内容人类健康的有关标准和规范国际非电离辐射保护委员会（ICNIRP）所提出的标准和规范数据安全的有关标准和规范经济合作与发展组织（OECD）隐私问题目前，很多用于物品识别的应答器（电子标签）都能支持KILL命令7/19/202449整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介非接触式IC卡三种非接触式IC卡标准标准卡的类型阅读器作用距离ISO/IEC10536密耦合（CICC）CCD紧靠ISO/IEC14443近耦合（PICC）PCD<10cmISO/IEC15693疏耦合（VICC）VCD约50cm7/19/202450整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介动物识别标准ISO/IEC11784规定动物识别的代码结构ISO/IEC11785规定相关的技术准则ISO/IEC14223为读取动物应答器内的特殊数字提供了协议，这些数字被存储在集中所有动物数据的中央数据库内

7/19/202451整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介物品识别标准ISO/IEC18000：空中接口的重要标准，无线频段（频率）有6个，即低于135kHz，13.56MHz，433MHz，860~960MHz，2.45GHz和5.8GHz。作用距离从数厘米至十多米不等ISO/IEC18001：给出了应答器的外形要求ISO/IEC10374：微波应答器的集装箱识别标准，工作频率范围为850~950MHz以及2.4~2.5GHz，应答器的灵敏度以最大电场强度150mV/m定义，最大可阅读距离为13m7/19/202452整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介国际标准ISO/IEC14443近耦合非接触式IC卡的国际标准用于身份证和各种智能卡、存储卡ISO/IEC14443标准由四部分组成，即ISO/IEC14443-1/2/3/4ISO/IEC14443-2射频能量

7/19/202453整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介ISO/IEC14443-4传输协议TYPEA型PICC激活过程RATSATSPPS（协议和参数选择）请求7/19/202454整理课件6RFID的ISOIEC标准ISO/IEC的RFID标准简介PCD激活TYPEA型PICC7/19/202455整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693疏耦合射频卡（VICC）的国际标准物理特性（机械特性，物理尺寸，抗紫外线、X射线和电磁射线能力，弯曲和扭曲性能）空中接口与初始化防碰撞和传输协议命令扩展安全特性7/19/202456整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693空中接口和初始化VCD到VICC的通信7/19/202457整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC15693空中接口和初始化副载波：单副载波时，副载波的频率423.75kHz；在使用双副载波时，频率484.28kHz数据速率位表示和编码：采用曼彻斯特码编码方式

VICC到VCD的通信7/19/202458整理课件RFID的ISOIEC标准SOFEOF7/19/202459整理课件RFID的ISOIEC标准传输协议唯一标识符（UID）：由制造商永久地设定应用族标识符（AFI）：由VCD锁定的应用类型数据存储格式标识符（DSFID）：指出了数据在VICC内存中的结构CRC：初始值为FFHVICC内存结构：可寻址块达256个，块大小可至256位，最大内存容量可达64kb（8kB）。块安全状态：由VICC作为对VCD请求的响应参数返回7/19/202460整理课件RFID的ISOIEC标准VICC状态断电（Power-Off）、就绪（Ready）、静默（Quiet）、选择（Selected）4种状态7/19/202461整理课件RFID的ISOIEC标准防碰撞时隙数为16的典型防碰撞处理过程

7/19/202462整理课件RFID的ISOIEC标准防碰撞VCD发送目录命令的请求帧，时隙数设置为16。VICC1在时隙0返回应答，因只有这一个VICC应答，故不存在碰撞，它的UID被VCD接收存储。VCD发送EOF，指示下一个时隙开始。在时隙1，VICC2和VICC3进行应答，发生了碰撞。VCD检测到碰撞，并记录该时隙发生了碰撞。VCD再发送EOF，进入时隙2。7/19/202463整理课件RFID的ISOIEC标准在时隙2，无VICC应答，VCD未检测到VICC的应答的SOF，因此VCD通过发送EOF，进入时隙3。在时隙3，VICC4和VICC5应答，产生了碰撞。VCD决定发送寻址请求（例如读块请求）给VICC1（VICC1的UID已被UCD正确接收）。所有VICC都检测到对VICC1请求的SOF，它们都处理这个请求，但只有UID匹配的VICC1才返回应答，其他的VICC则退出防碰撞序列。所有VICC准备接收下一个请求。如果又是一个目录命令的请求，则又从时隙0开始按上面步序执行。7/19/202464整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC18000-6标准定义了阅读器和应答器之间的物理接口、协议、命令及防碰撞机制。标准包含两种通信模式：TYPEA和TEPEB。TYPEA模式：数据编码帧格式调制

7/19/202465整理课件RFID的ISOIEC标准应答器向阅读器的数据传输数据编码帧格式前同步码、标志、参数、数据、CRC7/19/202466整理课件RFID的ISOIEC标准强制命令及状态转换INITROUND命令NEXTSLOT命令：确认已被识别的应答器；指示所有处于循环激活状态的应答器对它们的时隙计数器加1并进入下一个时隙NEWROUND命令：指示在循环准备和循环激活状态的应答器进入循环激活状态，复位它们的时隙计数器为1，进入新的循环；指示在选择状态的应答器变迁到静默状态，在静默和就绪状态的应答器仍维持它的状态7/19/202467整理课件RFID的ISOIEC标准CLOSESLOT命令：STANDBYROUND命令：确认来自一个应答器的有效应答，并指示该应答器进入选择状态，阅读器可以发送选择标志为1的读写命令等对此应答器进行操作；指示所有处于循环激活状态的应答器进入循环准备状态，等待NEXTSLOT，NEWSLOT或CLOSESLOT命令的到来，重新进入循环激活状态进入新的循环7/19/202468整理课件RFID的ISOIEC标准强制命令及状态转换SELECT（bySUID）命令：无论应答器原先处于场内哪个状态（不含离场状态），接收到该命令且SUID匹配时进入选择状态，并发回应答帧；SUID不匹配的应答器不发回应答帧，当它处于循环激活状态时变迁到循环准备状态，处于选择状态时变迁到静默状态，处于就绪、静默或循环准备状态时保持状态不变READBLOCKS命令：GETSYSTEMINFORMATION命令：获取应答器的有关系统信息7/19/202469整理课件RFID的ISOIEC标准TYPEA的防碰撞过程1、启动防碰撞过程：阅读器发出INITROUND命令启动防碰撞过程，在命令中给出循环空间大小2、参与防碰撞过程的应答器对命令的处理7/19/202470整理课件RFID的ISOIEC标准3、阅读器发出INITROUND命令后出现的三种可能情况阅读器在一个时隙中没有检测到应答帧时，它发出CLOSESLOT命令。阅读器检测到碰撞或错误的CRC时，在确认无应答器仍在传输应答的情况下，发出CLOSESLOT命令。阅读器接收到一个应答器无差错的应答帧时，它发送NEXTSLOT命令，命令中包括该应答器的签名，对此已被识别的应答器进行确认，使它进入静默状态以便循环的继续7/19/202471整理课件RFID的ISOIEC标准4、接收到CLOSESLOT命令或NEXTSLOT而签名不匹配的参与循环的应答器将自己的时隙计数器加1并和所选择的随机数比较以决定该时隙是否发回应答帧，并根据本次循环时的时隙延迟标志决定发回应答帧的时延7/19/202472整理课件RFID的ISOIEC标准TYPEA的防碰撞过程5、阅读器按第（3）步中的三种情况处理，直至该循环结束（达到了循环空间预置值）6、一个循环结束后，如果在INITROUND命令或CLOSESLOT命令中重复循环标志位置为1，则自动开始一个新的循环。如果重复循环标志位为0，阅读器可以决定用新的INITROUND命令或NEWROUND命令继续进行循环以完成防碰撞过程7、在一次循环中，阅读器可以通过发送STANDBYROUND命令来确认签名匹配的应答器的有效应答，并指示该应答器进入选择状态，同时让签名不匹配的应答器进入循环准备状态，以便在后续命令来到时将循环继续。7/19/202473整理课件RFID的ISOIEC标准TYPEB（与TYPEA相类比）物理接口命令和应答的帧格式数据元素应答器的存储器应答器的状态命令强制和推荐的命令防碰撞算法7/19/202474整理课件RFID

的ISO

IEC标准TYPEBTYPEB防碰撞流程7/19/202475整理课件RFID的ISOIEC标准ISO/IEC18000-7标准物理层使用窄带UHF频段。载波频率为433.92MHz±20ppm采用FSK调制方式，频率偏移为±35kHz，逻辑0的频率为fc（载波频率）－35kHz，逻辑1的频率为fc＋35kHz。数据位采用曼彻斯特编码，数据速率为27.7kbps阅读器和应答器之间的通信采用主从方式数据链路层7/19/202476整理课件RFID的ISOIEC标准数据链路层前同步码：包含20个周期为60μs的脉冲，高电平30μs，低电平30μs数据字节：包括8个数据位和一个停止位，采用曼彻斯特编码，位持续时间为36μs，字节周期（含停止位）为324μs。CRC码：多项式为x16+x12+x5+1包结束符7/19/202477整理课件RFID的ISOIEC标准命令格式阅读器命令格式

域命令前缀命令类型拥有者ID应答器ID阅读器ID命令编码参数CRC位长字节（31H）1字节3字节4字节2字节1字节N字节2字节7/19/202478整理课件RFID的ISOIEC标准应答格式对广播命令应答的信息格式对点到点命令应答的信息格式域应答器状态信息长度IntID应答器ID拥有者ID用户ID数据CRC位长2字节1字节2字节4字节3字节0~16字节0~N字节2字节域应答器状态信息长度IntID应答器ID命令编码参数CRC位长2字节1字节2字节4字节1字节N字节2字节7/19/202479整理课件什么是ZigBee？传感网络通信的几个阶段和模式：自动控制：电脑＋智能器件；传感网：网络＋传感器；ZigBee：网络＋传感器＋通信协议，是一种无线个域网（LR-WPAN）；由于无线通信组网技术使用的设备种类繁多，各种设备的技术参数并不相同，所以无线通信组网会经常遇到麻烦。但是由于ZigBee制定了相应的协议，所以化解了这一困难。7/19/202480整理课件什么是ZigBee？多信道的无线通信装置＋微控制器，集成在芯片上封装。具体就是8位微处理器与射频收发模块封装，接上电阻、电容、晶振，加上A/D、D/A、I/O接口和控制电路。也有把这些器件都封装在一起的。再加上相应的无线通信（协议栈）和开发的应用软件。可见，这实际上是一种智能控制节点，也就是无线传感器的网络节点。也有人将其称为“无线单片机”。ZigBee技术诞生刚刚4、5年，ZigBee联盟是2002年成立的其标准ZigBee1.0是2004年公布的。目前这一技术发展很快。7/19/202481整理课件什么是ZigBee？技术特点：工作频率：2.4GHz为主要频段（16格250kbps信道），也可以在915MHz（10个40kbps信道），868MHz（1个20kbps信道）；更重要的是，这几个频段都是不需要注册、批准的，称为免许可通信频段；低速率：几十Kbps；近距离：几米－几十米，最大可以达到1－3Km，如果需要加大通信和控制距离，可以采用多跳的方式接力；微功耗：速率低、数据量小，所以信号的收发时间很短，多数时间处于休眠状态，所以极其节能。一般一个节点使用一节电池可以工作0.5－2年甚至更长；低复杂度：ZigBee的协议栈比WiFi、兰牙简单，对于通信的控制要求也不高，通常采用8位单片机即可。低价格：一般在几十元甚至更低；7/19/202482整理课件什么是ZigBee？短延时：ZigBee从休眠状态激活，或者活动设备的信道接入时延一般在15，设备搜索的时延在30ms。所有也适合于工业控制和无线控制技术；组网灵活：通过网络协调器组成星状、树状、网状等各种类型的网络，非常灵活，同时允许设备的加入、退出，并且改变网络的架构；采用载波侦听/冲突检测CSMA/CA、握手传输，所以数据的传输可靠；7/19/202483整理课件什么是ZigBee？大容量：ZigBee可以有三种工作方式，即个域网协调器、路由器、终端设备。一个ZigBee网络最多可以包含256个ZigBee网络节点，包括一个主控设备，其余是从属设备。通过网络协调器，则可以支持64000个ZigBee网络节点，网络协调器还可以相互连接，所以适合大面积的传感器网络；适于网络的自配置：ZigBee可以采用网络协调器自动建立网络，绝对数北可以随时加入和退出，适于自配置、自组织的网络7/19/202484整理课件什么是ZigBee？安全模式：提供循环冗余（CRC）的数据包完整性校验，支持鉴权和认证，通过三级安全处理：第一级：无安全方式；第二级：设备可以使用接入控制列表（ACL）防止非法设备获取数据，本级不加密；第三级：在数据传输中采用AES－128的对称密码来保护数据净荷，防止攻击者假冒合法设备；7/19/202485整理课件什么是ZigBee？由于物联网的发展，可能使ZigBee得到极广泛的应用，如家庭、办公室、公共场所等地方。ZigBee是得到国际标准化组织承认和规范的无线组网通信技术，也是物联网或者传感网的重要应用。7/19/202486整理课件ZigBee的应用智能家居：可以把各种家用电器及其遥控器，甚至照明、通信设备、门禁、游戏玩具，都可以组成家庭的智能中心，并且实现联网；智能交通：在街道、高速公路、建筑物等地布置大量的ZigBee节点设备，可以加强汽车与外界的联系更加紧密，国家智能化；智能建筑：建筑内的人员管理、温度控制、能源管理（节能）、防火、信息交互等；医院应用：搜集病人的各种信息和检查的结果，配有ZigBee的担架，可以直接控制电梯的门；7/19/202487整理课件ZigBee的协议架构－802.15协议簇LR-WPAN：无线个域网，属于低速无线个域网，协议属802.15：IEEE802.15.1：中速无线个域网，兰牙；IEEE802.15.3：高速无线个域网，超宽带，（UWB）IEEE802.15.4：低速无线个域网，LR-WPAN，主要为电源能力受限、吞吐量要求不高、无线应用提供低成本的连接；7/19/202488整理课件ZigBee的协议架构－802.15协议簇IEEE-802.15.4共27个信道：2450MHz16g个,915MHz10个，868MHz1个；支持250kbps、40kbps、20kbps三种速率；支出星状网络结构和点对点的对等网络结构；分配16位短地址或16位扩展地址；支持时隙保证机制，通过预留保证时隙（GTS）提供无竞争媒体访问，或实现CSMA/CA以避免竞争；确认握手保证传输的可靠性；低功耗，可以能量检测；有链路质量指标；7/19/202489整理课件ZigBee的网络拓扑○○○●●●●●●PAN协调器○●○PAN协调器LR-WPAN的网络拓扑简化功能设备RFD全功能设备FFD●星状拓扑点对点对等网络拓扑7/19/202490整理课件ZigBee的簇树网络－多个邻近簇连接成网●●●●○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○○●●○○○○○○PAN协调器CID1CID2CID3CID4CID5簇首设备ZigBee的簇树网络7/19/202491整理课件ZigBee协议架构ZigBee协议包括：IEEE802.15.4：物理层协议；媒体访问控制层：MAC；ZigBee联盟：网络层（NWK）应用层（APL