ZigBee演示文稿 尹凡 zy1102

1、2021-11-271ZigBee简介vZigBee这个字源于蜜蜂群发现食物源的时候，通这个字源于蜜蜂群发现食物源的时候，通过跳过跳“之之”字形的舞蹈（字形的舞蹈（Zigzag舞）在同伴中传舞）在同伴中传递信息，以到达彼此沟通讯息的目的，故以此做递信息，以到达彼此沟通讯息的目的，故以此做新一代无线通讯技术的命名。新一代无线通讯技术的命名。vZigBee技术是一种结构简单、低成本、低功耗、技术是一种结构简单、低成本、低功耗、低速率和可靠性高的短距离无线通信新技术。低速率和可靠性高的短距离无线通信新技术。vZigBee的网络标准由的网络标准由IEEE 802.15工作组负责制定，工作组负责制定，被

2、称作被称作802.15.4(ZigBee)技术标准。技术标准。2021-11-272ZigBee发展历史v 近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大的提高了人们近年来，各种无线通信技术迅猛发展，极大的提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，我们思考能否在近距离范围内实现各被各种电缆所束缚，我们思考能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信种设备之间的无线通信?v 纵观目前发展较成熟的无线通信技术，这些技术比较复杂，纵观目前发展较成熟的无线通信技术，这些技术比较复杂，耗费资源多，成本较高，并不适用于短距离无线

3、通信的场耗费资源多，成本较高，并不适用于短距离无线通信的场合。合。1999年蓝牙技术走向应用，但因芯片价格高，功耗高，年蓝牙技术走向应用，但因芯片价格高，功耗高，协议较复杂，厂商支持力度不够，传输距离限制以及抗干协议较复杂，厂商支持力度不够，传输距离限制以及抗干扰能力差等特点而发展缓慢，蓝牙技术不适用于要求低成扰能力差等特点而发展缓慢，蓝牙技术不适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。低功耗、低成本的无本、低功耗的工业控制和家庭网络。低功耗、低成本的无线网络需求促使线网络需求促使ZigBee应运而生。应运而生。2021-11-273ZigBee发展历史v 2000年年12月月IEEE(美

4、国电子和电气工程师协会美国电子和电气工程师协会)成立了成立了802.15.4工作组，致工作组，致力于开发低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。力于开发低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。v 2001年年8月，美国月，美国HONEYWELL等公司发起成立等公司发起成立ZigBee联盟，他们提出联盟，他们提出的的ZigBee技术被确认为技术被确认为IEEE 802.15.4标准。标准。v 2003年年5月，月，IEEE 802.15.4标准获得通过。标准获得通过。v 目前目前ZigBee联盟在全球有联盟在全球有300多个成员公司多个成员公司(包括日本三菱电气公司、美包括日本三菱电气公司、美国摩托

5、罗拉公司、荷兰飞利浦半导体公司、我国华为公司等国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体公司、我国华为公司等)。2021-11-274v 低速率：数据传输速率只有低速率：数据传输速率只有20250kb/s，分别提供，分别提供250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和和20kb/s(868MHz)的原始数据吞吐率的原始数据吞吐率,满足低速率的传输数据满足低速率的传输数据的应用需求。的应用需求。v 低功耗：在低功耗待机模式下，低功耗：在低功耗待机模式下，2节普通节普通5号电池可使用号电池可使用624月，这也是月，这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的独特优势。的支持者一直引以为豪的独特

6、优势。v 低成本：因为低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；并数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；并且且ZigBee协议免收专利费。协议免收专利费。ZigBee网络节点模块一般在网络节点模块一般在1000元以下，而主要元以下，而主要使用的网络子节点价格可降到使用的网络子节点价格可降到100元以下。元以下。v 容量大：容量大：ZigBee网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理254个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，可组成个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，可组成650

7、00个节点个节点的大型网络的大型网络v 时延短：时延短：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要节点连接进入网络只需要30ms。相对而言，蓝牙需要。相对而言，蓝牙需要310s，WiFi需要需要3s。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息

8、并传输给网络控制者，从而的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。阻止火灾的发生。2021-11-275v 近距离：传输范围一般介于近距离：传输范围一般介于10100m之间，能覆盖普通的之间，能覆盖普通的家庭和办公场所，在增加家庭和办公场所，在增加RF发射功率后，可增加到发射功率后，可增加到13KM。v 安全高：安全高：ZigBee提供了三级安全模式，保证安全性。提供了三级安全模式，保证安全性。v 可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信可靠：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业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争

9、和冲突。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层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据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。题可进行重发。 2021-11-276物理层MAC层网络/安全层支持/应用层作用：作用：作用：作用：作用：作用：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。应用支持层根据服务和需求

10、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。2021-11-277物理层物理层v IEEE802.15.4物理层定义了两个工作频段，物理层定义了两个工作频段，868/915MHz和和24Ghz。其中低频段。其中低频段868MHz为欧为欧洲采用，传输速率为洲采用，传输速率为20Kb/s；915MHz为美国，澳大为美国，澳大利亚采用，传输速率为利亚采用，传输速率为40Kb/s；2.4GHz的高频段则全的高频段则全球通用，传输速率为球通用，传输速率为250Kb/s。v 物理层定义了物理无线信道和物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层

11、管理服务。物理层数据服务从供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。物理管理服务维护一个由物理无线物理信道上收发数据。物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。层相关数据组成的数据库。2021-11-2782021-11-2792021-11-2710IEEE802.15.4频段频段vk=0：f=863.3MHzvK=1,210:f=906+2(k-1)MHzvK=11,1226:f=2405+5(k-1)MHz2021-11-2711物理层负责的任务物理层负责的任务v 控制无线收发器的激活与关闭控制无线收发器的激活与关闭v 对当前信道进行能量检测对当前

12、信道进行能量检测v 提供链路质量指标提供链路质量指标v 为为CSMA-CA提供信道评估提供信道评估v 选择信道频率选择信道频率v 发送和接收数据发送和接收数据2021-11-2712MAC层层v MAC层有两种信道访问机制，无信标（层有两种信道访问机制，无信标（non-beacon）网络和信标使能（网络和信标使能（beacon-enabled）网络。无信标网）网络。无信标网络采用标准的络采用标准的ALOHA CSMA-CA方式。信标使能网络方式。信标使能网络采用信标帧。采用信标帧。v ALOHA协议思想：协议思想：只要用户有数据要发送，就尽管让他只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这

13、样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行过程中进行冲突检测冲突检测，将接收到的数据与，将接收到的数据与缓冲区缓冲区的数据进的数据进行比较，就可以知道行比较，就可以知道数据帧数据帧是否遭到破坏。同样的道理，是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道其他用户也是按照此过程工作。如果发送方知道数据帧数据帧遭遭到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的到破坏（即检测到冲突），那么它可以等待一段随机长的时间后重发该

14、帧。时间后重发该帧。 2021-11-2713MAC层负责控制对物理信道的访问层负责控制对物理信道的访问v协调器的协调器的MAC层负责产生信标（层负责产生信标（beacon）v与信标帧同步与信标帧同步v实现对个域网的关联与解除关联实现对个域网的关联与解除关联v维护设备安全维护设备安全v采用采用CSMA-CA机制控制信道访问机制控制信道访问v维护时隙保障机制维护时隙保障机制(GTS)v在两个对等的在两个对等的MAC实体间提供一条可靠信道实体间提供一条可靠信道v维护维护PIB中与中与MAC层相关的信息，存储与层相关的信息，存储与MAC层相关的常量和属性层相关的常量和属性2021-11-2714GT

15、S机制机制v信道接入机制分为两种：有竞争的和无竞争的。在基于竞争的信道接入中，所有设备通过CSMA-CA机制使用相同的信道传输数据，第一个发现信道未被占用的设备可以传输。而在无竞争的信道接入中，PAN协调器给每个设备指定一个时隙，这叫做保证时隙（GTS）。 vPAN协调器负责协调整个网络以及与中央控制点的通信，所以它是构建一个ZigBee网络的关键所在。 2021-11-2715网络层网络层v网络层位于网络层位于MAC层与应用之间，负责网络管理，层与应用之间，负责网络管理，路由管理，报文路由管理，报文broker以及网络安全管理。以及网络安全管理。v网络层服务主要包括：网络层服务主要包括：v1

16、，开始一个新的网段，开始一个新的网段v2，配置一个新的设备，配置一个新的设备v3，通过接收器控制功能让节点加入或者离开网，通过接收器控制功能让节点加入或者离开网络络2021-11-2716应用层应用层vZigBee的应用层包括应用支持子层（的应用层包括应用支持子层（APS），），由由ZigBee组织定义的组织定义的ZigBee设备对象（设备对象（ZDO）和和ZDO行规以及由用户或制造商定义的应用对象行规以及由用户或制造商定义的应用对象组成的应用框架（组成的应用框架（AF）v应用层作用：应用层作用：应用支持层根据服务和需求使多个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

17、用由器件之间进行通信。应用层主要根据具体应用由用户开发。用户开发。2021-11-2717ZigBee的设备类型的设备类型vIEEE802.15.4定义了定义了2种设备类型，全功能设种设备类型，全功能设备（备（FFD）和简约功能设备（）和简约功能设备（RFD）。）。FFD可以可以同同RFD通信，也可以同通信，也可以同FFD设备通信，而设备通信，而RFD只能同只能同FFD通信。通信。vZigBe规定了规定了3种设备类型，分别为个域网的协种设备类型，分别为个域网的协调器，路由器和终端设备。调器，路由器和终端设备。2021-11-2718ZigBee的设备类型的设备类型ZigBee的设备类的设备类型

18、型IEEE802.15.4的设备类型的设备类型典型功能典型功能协调器协调器FFD除路由器的典型功能外，除路由器的典型功能外，还包括创建和配置网络，还包括创建和配置网络，存储绑定表存储绑定表路由器路由器FFD允许其他节点入网，分配允许其他节点入网，分配网络地址，提供多跳路由网络地址，提供多跳路由和数据转发，协助终端设和数据转发，协助终端设备完成通信备完成通信终端设备终端设备RFD节点的休眠或唤醒，传节点的休眠或唤醒，传感或者控制感或者控制2021-11-2719v ZigBee网络的拓扑结构主要有网络的拓扑结构主要有三种，星型网、树形和网状拓三种，星型网、树形和网状拓扑。扑。v 星型网：是由一个

19、星型网：是由一个PAN协调点协调点和一个或多个终端节点组成的。和一个或多个终端节点组成的。PAN协调点必须是协调点必须是FFD，它负，它负责发起建立和管理整个网络，责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般其它的节点（终端节点）一般为为RFD，分布在，分布在PAN协调点的协调点的覆盖范围内，直接与覆盖范围内，直接与PAN协调协调点进行通信。星型网通常用于点进行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。节点数量较少的场合。网络协调器网络协调器全功能设备全功能设备(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络任何一种拓扑结构，可以作为网络

20、协商者和普通协商者，并且可以和协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信任何一种设备进行通信精简功能设备精简功能设备(RFD):(RFD):不能成为任何不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单信，实现简单。2021-11-2720v Mesh网网 ：一般是由若干：一般是由若干个个FFD连接在一起形成，连接在一起形成，它们之间是完全的对等通它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它的无线通信范围内的其它节点通信。节点通信。Mesh网中，一网中，一般将发起建立网络的般将发起建立网络的FFD节点作为节点

21、作为PAN协调点。协调点。Mesh网是一种高可靠性网网是一种高可靠性网络，具有络，具有“自恢复自恢复”能力，能力，它可为传输的数据包提供它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。或多条路径可供选择。 网络协调器网络协调器全功能设备全功能设备(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信任何一种设备进行通信精简功能设备精简功能设备(RFD):(RFD

22、):不能成为任何不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单信，实现简单。2021-11-2721Mesh网可以通过网可以通过FFD扩展网扩展网络，组成络，组成Mesh网与星型网网与星型网构成的混合网构成的混合网 。树形：终端节点采树形：终端节点采集的信息首先传到同集的信息首先传到同一子网内的协调点，一子网内的协调点，再通过网关节点上传再通过网关节点上传到上一层网络的到上一层网络的PAN协调点。混合网都适协调点。混合网都适用于覆盖范围较大的用于覆盖范围较大的网络。网络。网络协调器网络协调器全功能设备全功能设备(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信任何一种设备进行通信精简功能设备精简功能设备(RFD):(RFD):不能成为任何不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单信，实现简单。2021-11-2722ZigBee技术优势技术优势v 数据传输速