物联网与短距离无线通信技术[董健] 第四章

1、本章内容1. 什么是ZigBee技术2. ZigBee技术特点3. ZigBee与Wi-Fi、蓝牙的区别4. ZigBee设备类型5. ZigBee网络描述6. ZigBee协议架构7. ZigBee应用领域什么是ZigBee Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。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。 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

2、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早期也被称为 “HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee技术。 ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行) 和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内, 但可以继续增加 。Zigbee的发展历程p2002年,zigbee Alliance成立. p2004年,zigbee V1

3、.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误. p2006年,推出zigbee 2006,比较完善. p2007年底,zigbee PRO推出ZigBee技术特点ZigBee具体如下技术特点：1. 低功耗 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。 相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。 现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公

4、司的Zigbee提供电源。ZigBee技术特点2. 低成本 由于ZigBee模块的复杂度不高，ZigBee协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低。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。 市面上的zigbee学习开发板大概是500-700人民币三个模块，其中有带功放的，传输距离远一点，如果需要LCD显示器的话可能会贵一点，价格会在两千左右（三四个节点），但这是开发板，如果自己焊制、生产一个Zigbee节点其成本远远低于以

5、上的价格，批量生产的话应该可以控制在50元人民币左右成都无限龙公司和蜂舞Zigbee公司是市场上的主力军，除了提供开发套件，还承接Zigbee项目。3. 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 这种毫秒级的时延，在实时性要求不太高的网络中是非常高效的，在有一定时延要求的网络中也是佼佼者。 ZigBee技术特点4. 网络容量大一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,

6、 而且网络组成灵活。网状结构的ZigBee网络中可有65000多个节点。bluetooth-每个网络8个节点. ZigBee技术特点5. 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,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, 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题可进行重发。 ZigBee技术特点ZigBee技术特点6. 安全 ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。 Zigbee 提供了三级安全模式,

7、包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据7.免执照频段 采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868MHz(欧洲)。 ZigBee技术特点8.传输距离灵活 传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。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。 ZigBee技术特点ZigBee与Wi-Fi、蓝牙的区别ZigBee设备类型1. ZigBee协调器（Coordinator）2. ZigBee路由器（Router）3. ZigBee终端设备

8、（End-device） 一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。ZigBee协调器（Coordinator）它包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的，存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、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信息并且不断的接收信息。一旦网络建立完成，这个协调器的作用就像路由器节点。ZigBee设备类型ZigBee路由器（Router） 它的执行功能包括允许其它设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下电池供电终端的通信。 通常,路由器全时间处在活动状态,因此为主供电。但是在树状拓扑中,允许路由器操作周期运

9、行,因此这个情况下允许路由器电池供电。ZigBee设备类型ZigBee终端设备（End-device） 一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任,所以它可以睡眠和唤配看它自己选择。因此它能作为电池供电节点。ZigBee设备类型p 简单的说，Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，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75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 pZigbee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，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无

10、限扩展。 ZigBee网络描述p与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。 ZigBee

11、网络描述拓扑结构ZigBee支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构 (Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。 ZigBee网络描述ZigBee网络描述设备类型拓扑类型是否成为协调器 通话对象全功能设备星型、树状、网状可以与任何ZigBee设备通话简化功能设备星型不可以与协调器、路由器通话，不能与终端设备通话ZigBee网络描述pZigbee采用的自组织网通信方式 pZigBee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

12、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 ZigBee网络描述pZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？p为什么自组织网要采用动态路由的方式？ ZigBee网络描述p网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通

13、过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。 ZigBee网络描述p所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证

14、数据的可靠传输。 ZigBee网络描述ZigBee协议架构 ZigBee协议由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成。 网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。ZigBee/IEEE802.15.4規格架構ZigBee/IEEE802.15.4规格架构ZigBee网络拓扑物理层功能：1. 激活和休眠射频收发器；2. 信道能量检测（energy detect）；3. 检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication , LQI）；4. 空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）；5. 收发数

15、据。ZigBee协议架构数据链路层功能：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议器同步；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；5. 支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS）机制；6. 支持不同设备的MAC层间可靠传输。 ZigBee协议架构网络层功能：pZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZIgBee的MAC层（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用

16、层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。p网络层数据实体网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务；p网络层管理实体网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。ZigBee协议架构应用会聚层功能：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Z

17、igBee协议架构 智能家庭领域 可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、 门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机 时，灯光会自动减弱;当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备， 或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。ZigBee应用领域工业领域 通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如 火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控