典型无线传输第一讲-ZigBee技术及应用.ppt

1、ZigBee技术与应用,典型无线传输技术应用课程教学资源,7/7/2020,ZigBee技术与应用,7/7/2020,什么是ZigBee技术 ZigBee 技术是以 IEEE 802.15.4标准为基础，发展出的无线通讯技术。是一种短距离、低功耗的无线通信技术 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概述,7/7/2020,什么是ZigBee技术 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，十分类似

2、现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个ZigBee网络不仅可以“无限”扩展开来，而且还可以与现有的其它的各种网络连接。例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个ZigBee控制网络。,ZigBee概述,7/7/2020,在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。,ZigBee概述,7/

3、7/2020,ZigBee技术的发展 工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求越来越强烈，而蓝牙技术对于这一领域显然有一定的局限。 2002年,zigbee Alliance成立。 Zigbee协议在2003年正式问世。 2004年,zigbee V1.0诞生。 2006年,推出zigbee 2006,比较完善。 2007年底,zigbee PRO推出。,ZigBee概述,7/7/2020,ZigBee的频带和数据传输率,7/7/2020,ZigBee的物理信道,7/7/2020,ZigBee技术特点,1、低功耗：这是 ZigBee 一个显著特点。由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休

4、眠模式，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。 2、低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片价格仅 2-5 美元，而且 ZigBee 协议是免专利费。 3、时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为 30ms，休眠激活时延为 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms。,7/7/2020,ZigBee技术特点,4、数据传输速率低：10kbps到250kbps，专注于低传输应用 5、数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传

5、输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。 6、网络容量大：一个ZigBee设备可以与另外254个设备相连接，一个ZigBee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最低100个ZigBee网络。 网络有星状、树状和网状网络结构。在有节点加入和撤出时，网络具有自动修复功能。,7/7/2020,ZigBee技术特点,7、工作频段灵活：使用免费频段分别为 2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）以及 915MHz（美国），均为免执照频段。 8、兼容性好：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用 CSMA-CA

6、方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。 9、安全性高：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 。,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用场合,低速无线设备,工业、农业和商业,消费电子,PC 机的 外围设备,家庭 自动化,玩具和游戏,个人健康监护,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信,7/7/2020,ZigBee的应用,Zig

7、Bee应用实例,基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,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,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信,ZigBee智能交通控制系统无线通信方案,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,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Zig

8、Bee中心节点 ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心,7/7/2020,ZigBee的应用,ZigBee应用实例,基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统,7/7/2020,ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，从下往上依次是物理层，MAC层，网络/安全层，应用支持子层，应用层。,ZigBee技术体系,ZigBee的堆栈架构,物理层,MAC层,网络层,安全层,应用层,应用支持子层,ZigBee 联盟,IEEE 802.15.4,用户,硬件实现,ZigBee平台通信栈,应用层,7/7/2020,ZigBee协议层作用,ZigBee技术

9、体系,物理层,MAC层,网络/安全层,支持/应用层,作用：,作用：,作用：,作用：,物理层是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。 主要目的：控制RF收发器工作。,负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束 确认模式的数据传送和接收。,建立新网络，保证数据的传输。 对数据进行加密，保证数据的完整性。,应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信。 应用层主要根据具体应用由用户开发。,7/7/2020,ZigBee网络拓扑结构,ZigBee技术体系,星状,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

10、种设备进行通信,精简功能设备(RFD):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。,7/7/2020,ZigBee网络设备类型,ZigBee技术体系,网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。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消息、不断地接收信息。 全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。 精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。,7/7/2020,ZigB

11、ee技术体系,ZigBee网络设备类型,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,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。,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,7/7/2020,ZigBee技术体系,ZigBee网状网络,7/7/2020,ZigBee技术体系,Zi

12、gBee通信可靠性保证,通信可靠机制 ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测 MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。 网络的自组织自愈能力强 ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络； ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。,7/7/2020,Zigbee技

13、术中的基本概念,一、ZigBee 信道 IEEE802.15.4 工作在工业科学医疗(ISM)频段，定义了两个工作频段，即 2.4GHz 频段和 868/915MHz 频段。在 IEEE802.15.4 中，总共分配了 27 个具有3 种速率的信道：在 2.4GHz频段有 16 个速率为 250kb/s 的信道，在 915MHz 频段有 10 个 40kb/s 的信道，在 868MHz 频段有 1 个20kb/s 的信道。 在无线龙提供 ZigBee 无线传感器网络系统统一中使用的 2.4GHz 频段。,7/7/2020,Zigbee技术中的基本概念,7/7/2020,Zigbee技术中的基本

14、概念,二、ZigBee 的 PAN ID (网络号) ZigBee无线传感器网络的协调器是通过选择网络工作信道及个域网识别标志(PANID或网络号)来启动一个 ZigBee 无线传感器网络。 PANID是一个 32 位标设，范围从 0 x0000-0 xffff。,7/7/2020,Zigbee技术中的基本概念,三、ZigBee物理地址 在ZigBee无线传感器网络中，节点有2个地址，一个是物理(也称IEEE或扩展)地址，物理地址是在产品出厂时初始化的，在全球范围内是唯一标识地址。 注：当一个ZigBee节点需要加入网络时，其物理地址必须不能与现有网络节点物理地址有冲突，并且不为0 xffff

15、ffffffffffff。,7/7/2020,Zigbee技术中的基本概念,四、ZigBee网络地址分配 ZigBee有两种地址分配方式：分布式分配机制和随机分配机制。 1.随机分配机制 当一个设备加入网络时，其父设备应选择一个尚未分配过的随机地址，分配给该设备,7/7/2020,2.分布式分配机制 我们知道，每个ZigBee设备应该拥有一个唯一物理地址。协调器（coordinator）在建立网络以后使用 0 x0000作为自己的短地址。,Zigbee技术中的基本概念,7/7/2020,无线传感器网络构架,ZigBee 无线传感器网络由 1 .PC 机部分、2.网关部分、3.路由节点部分、4.

16、传感器节点部分四部分组成。,7/7/2020,无线传感器网络构架,1 PC 机：完成接收网关数据和发送指令，实现可视化，形象化人机界面，方便用户操作，观察； 2 网关：完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机； 3 路由节点： 在网关不能和所有的传感器节点通信时，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能； 4 传感器节点：完成对设备的控制和数据的采集，包括灯的控制温度、光照度、加速度数据等等。,7/7/2020,ZigBee的发展前景,ZigBee的前景,尽管ZigBee在出现伊始就以其低功耗，数据传输可靠，网络容量大，安全可靠以及低成本等一系列令业界欢欣鼓舞的面貌示人，然而这种主要用于室内的无线网络通信技术却并没有太多的机会来让其