ZigBee技术概论

1、ZigBee无线网络技术无线网络技术 物联网关键技术成都无线龙通讯科技有限公司2010-06无线通信无线通信l 无线通信(Wireless Communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。 我们所知道的通信古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信 这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。题。 我们的先人常以无法实时互通的浪漫诗句和思念之情来代替我们的先人常以无法实时互通的

2、浪漫诗句和思念之情来代替通信。通信。 现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式现代：电话、电视、广播、邮政、因特网、其他方式有线通信、无线通信有线通信、无线通信通信的发展简史通信的发展简史l 第一阶段第一阶段 语言语言l 第二阶段第二阶段 文字、邮政文字、邮政l 第三阶段第三阶段 印刷术、出版物印刷术、出版物l 第四阶段第四阶段 电报、电话、广播电报、电话、广播l 第五阶段第五阶段 通信与计算机的结合、网络通信与计算机的结合、网络最早的电通信设想 1753 1753年年2 2月月1717日日，苏格兰人苏格兰人杂志上发表了一封署名杂志上发表了一封署名C.MC.M的的书信。在这封信中，作者提

3、出了用电流进行通信的大胆设想。他书信。在这封信中，作者提出了用电流进行通信的大胆设想。他建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线建议：把一组金属线从一个地点延伸到另一个地点，每根金属线与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金与一个字母相对应。在一端发报时，便根据报文内容将一条条金属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上属线与静电机相连接，使它们依次通过电流。电流通过金属线上的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，的小球便将挂在它下面的写有不同字母或数字的小纸片吸了起来，从而起到远距离传递信息的作用。从而起到远距离传递信息的作用。

4、 最早的有线电报 1844 1844年年5 5月月2424日日，莫尔斯从华盛顿，莫尔斯从华盛顿到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电到巴尔的摩拍发人类历史上的第一份电报。在座无虚席的国会大厦里报。在座无虚席的国会大厦里, ,莫尔斯莫尔斯用激动得有些颤抖的双手用激动得有些颤抖的双手, ,操纵着他倾操纵着他倾十余年心血研制成功的电报机十余年心血研制成功的电报机, , 发出发出了了:“:“上帝创造了何等奇迹上帝创造了何等奇迹!”!”一语。一语。 最早的无线通信 1895 1895年年5 5月月7 7日日，3636岁的波波夫在彼德堡的岁的波波夫在彼德堡的俄国物理化学会的物理分会上，宣读了关于俄国物理化学会

5、的物理分会上，宣读了关于“金属屑与电振荡的关系金属屑与电振荡的关系”的论文，并当众展的论文，并当众展示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大示了他发明的无线电接收机。当他的助手在大厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫厅的另一端接通火花式电波发生器时，波波夫的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，的无线电接收机便响起铃来；断开电波发生器，铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在铃声立即中止。几十年后，为了纪念波波夫在这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把这一天的划时代创举，当时的苏联政府便把5 5月月7 7日定为日定为“无线电发明日无线电发明日”。 人类首次远距离无线电通信 1897 18

6、97年年5 5月月1818日日, ,马可尼进行横跨布里斯马可尼进行横跨布里斯托尔（托尔（BristolBristol）海峡的无线电通信取得成功，）海峡的无线电通信取得成功，通信距离为通信距离为1414公里。公里。无线通信频段无线通信频段l 日常生活中，我们经常能够看到各式各样的天线。对于一个无线系统来说，能够正确的发送和接收信息是最基本的要求。天线作为无线通信中不可缺少的一部分，其基本功就能是接收和发送无线电波。发射时，把高频电流转换为电波；接收时，把电波转换为高频电流。那么这么多的电波在空气中是如何传播，我们有是如何区分哪些是我们需要的电波呢？无线通信频谱无线通信频谱l 频谱是我们区别各种电

7、波的一个重要依据，无线通信的频谱在RF(Radio Frequency)这一段包括了我们常见的调频收音机，各种手机，无线电话，无线卫星电视等等，由于从几十兆到几千兆的频谱上，集中了各种不同的无线应用，而且这些无线电传播都使用同一个通讯媒介空气，所以为了保证各种无线通讯之间不相互干扰，就需要对无线频道的使用进行必要的管理。 无线通信频谱无线通信频谱波段名称 波长范围(m) 频段名称 频率范围 (HZ)超长波长波中波短波米波分米波厘米波毫米波1,000,00010,00010,0001,0001,000100100101010.010.001甚低频低频中频高频甚高频特高频超高

8、频极高频330K30300K3003,000K330M30300M3003,000M330G30300GISM频段频段l 各国的无线管理部门也规定了某些频带不需许可就可以使用（只需要遵守一定的发射功率（一般低于1W），并且不要对其它频段造成干扰即可），以满足不同的需要。这些频带通常包括ISM (Industrial、Scientific and Medical工业、医疗、科学) 频带。l 各国的无线电管理不尽相同。在美国可用的免许可证的频带包括：27MHz、260MHz至470MHz、902MHz至928MHz和最常用的2.4GHz频带。ISM频道在欧洲所分配到的频率为433MHz、868 M

9、Hz和2.4GHZ。l 中国目前可以使用的ISM频率是：433MHZ和2.4GHZ。ISM频段频段ISM频段频段l 除了ISM 频带以外，在中国整个低于135 kHz，在北美、南美和日本低于400 kHz，也都是可以使用的免费频段。各国对无线频谱资源的管理，不仅规定了相关的ISM开放频道的频率，同时也严格规定了在这些频率上所使用的发射功率，在实际使用这些频率时，需要查阅各国无线频谱管理机构的不同的具体技术要求。无线通信传播环境电磁波信号传输l大气（电离层、对流层）l地面（直射、反射、绕射）无线网络无线网络l 就是利用无线电波作为信息传输的媒介构成的信息(数据)传输网络，与有线网络的用途十分类似

10、，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线。无线网络分类无线网络分类l无线广域网 (WWAN) WWAN 技术可使用户通过远程公用网络或专用网络建立无线网络连接。通过使用由无线服务提供商负责维护的若干天线基站或卫星系统，这些连接可以覆盖广大的地理区域，例如若干城市或者国家（地区）。而第三代 (3G) 技术将执行全球标准，并提供全球漫游功能。l无线城域网 (WMAN) WMAN 技术使用户可以在城区的多个场所之间创建无线连接（例如在一个城市或大学校园的多个办公楼之间），WMAN 使用无线电波或红外光波传送数据。为用户提供高速 Internet 接入的宽带无线接入网络的需求量正日益增长

11、。尽管目前正在使用各种不同技术，例如多路多点分布服务 (MMDS) 和本地多点分布服务 (LMDS)，但负责制定宽带无线访问标准的 IEEE 802.16 工作组仍在开发规范以便实现这些技术的标准化。无线网络分类无线网络分类l无线局域网 (WLAN) WLAN 技术可以使用户在本地创建无线连接（例如，在公司或校园的大楼里，或在某个公共场所，如机场）。WLAN 可用于临时办公室或其他无法大范围布线的场所，或者用于增强现有的 LAN，使用户可以在不同时间、在办公楼的不同地方工作。WLAN 以两种不同方式运行。在基础结构 WLAN 中，无线站（具有无线电网卡或外置调制解调器的设备）连接到无线接入点，

12、后者在无线站与现有网络中枢之间起桥梁作用。在点对点（临时）WLAN 中，有限区域（例如会议室）内的几个用户可以在不需要访问网络资源时建立临时网络，而无需使用接入点。1997 年IEEE 批准了用于 WLAN 的 802.11 标准。l无线个人网 (WPAN) WPAN 技术使用户能够为个人操作空间 (POS) 设备（如 PDA、移动电话和笔记本电脑等）创建临时无线通讯。POS 指的是以个人为中心，最大距离为 10 米的一个空间范围。目前主要的 WPAN 技术是ZigBee、“Bluetooth”、红外线。“Bluetooth”是一种电缆替代技术，可以在 30 英尺以内使用无线电波传送数据。Bl

13、uetooth 数据可以穿过墙壁、口袋和公文包进行传输。“Bluetooth 专门利益组 (SIG)”推动着“Bluetooth”技术的发展，于 1999 年发布了 Bluetooth 版本 1.0 规范。作为替代方案，要近距离（一米以内）连接设备，用户还可以创建红外链接。 无线网络特点无线网络特点l 1、安装便捷：一般在网络建设当中，施工周期最长、对周边环境影响最大的就是网络布线的施工了。在施工过程时，往往需要破墙掘地、穿线架管。而WLAN最大的优势就是免去或减少了这部分繁杂的网络布线的工作量，一般只要在安放一个或多个接入点(Access Point)设备就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络

14、。l 2、使用灵活：在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而一旦WLAN建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络，进行通讯。l 3、经济节约：由于有线网络中缺少灵活性，这就要求网络的规划者尽可能地考虑未来的发展的需要，这就往往导致需要预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划时的预期，又要花费较多费用进行网络改造。而WLAN可以避免或减少以上情况的发生。l 4、易于扩展：WLAN又多种配置方式，能够根据实际需要灵活选择。这样，WLAN能够胜任只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游(Roaming)”等有线网络无法提

15、供的特性。无线网络国际标准无线网络国际标准l 为了实现无线数据网络通信，需要为无线网络规定一种通信协议，如国际标准ZigBee，Wi-Fi，蓝牙等。这些国际标准都是由IEEE规定发布的。l 但也有一些芯片公司或集成供应商为了推广本公司芯片、方案而发布一些非国际标准协议，如Nordic nRF方案、TI的SimpliciTI网络协议等等。l 蓝牙和ZigBee等国际标准展示了如何让电子企业合作创建可确保全球市场兼容的工作标准。两者都是优秀的技术，在它们各自定义的领域可以发挥重要作用。l 尽管如此，基于国际标准的技术也有缺点。首先，为满足标准，在初始设计和兼容性测试中必须付出高昂费用。其次，就其字

16、面意义而言，标准必须是“通用性极强”的解决方案，但由于竞争对手也掌握相同的技术，所以很难使产品在竞争激烈的全球市场中实现差异化。最后，标准解决方案很少有机会实现足够的灵活性，例如，为了确保兼容性就需要大量数据包开销，从而增加数据传输时间和功耗，无线产品的功耗降低空间就极其有限。IEEEl （Institute of Electrical and Electronics Engineers的英文缩写，全称是国际电气与电子工程师学会）。l IEEE的标准制定内容有：电气与电子设备、试验方法、原器件、符号、定义以及测试方法等。 l IEEE于1963年1月1日由AIEE(美国电气工程师学会)和IRE

17、(美国无线电工程师学会)合并而成，是美国规模最大的专业学会。IEEE是一个非营利性科技学会，拥有全球近175个国家三十六万多名会员。透过多元化的会员，该组织在太空、计算机、电信、生物医学、电力及消费性电子产品等领域中都是主要的权威。在电气及电子工程、计算机及控制技术领域中，IEEE 发表的文献占了全球将近百分之三十。IEEE每年也会主办或协办三百多项技术会议。l 宗旨：自成立以来IEEE一直致力于推动电工技术在理论方面的发展和应用方面的进步。作为科技革新的催化剂，IEEE通过在广泛领域的活动规划和服务支持其成员的需要。促进从计算机工程、生物医学、通信到电力、航天、用户电子学等技术领域的科技和信

18、息交流，开展教育培训，制定和推荐电气、电子技术标准，奖励有科技成就的会员等。IEEE定义常见标准lIEEE 802.1高级接口High Level Interface(Internetworking)lIEEE 802.1d生成树协议（Spanning Tree）lIEEE 802.1pGeneral Registration ProtocollIEEE 802.1q虚拟局域网（Virtual LANs；VLAN）lIEEE 802.1x基于端口的访问控制（Port Based Network Access Control）lIEEE 802.2逻辑链路控制（Logical Link Cont

19、rol）lIEEE 802.3带冲突检测的载波侦听多路访问协议CSMA/CD（半双工以太网）lIEEE 802.3u快速以太网（Fast Ethernet）lIEEE 802.3z千兆以太网（Gigabit Ethernet）lIEEE 802.3ae万兆以太网（10 Gigabit Ethernet）lIEEE 802.4令牌环总线（Token-Passing Bus）lIEEE 802.5令牌环（Token-Passing Ring）lIEEE 802.6城域网（Metropolitan Area Networks，MAN）lIEEE 802.7宽带局域网（Brandband LAN）lI

20、EEE 802.8光纤局域网lIEEE 802.9集成数据和语音网络（Integrated Voice and Data Networks，VoIP)lIEEE 802.9aIsoENET（proposed）lIEEE 802.10网络安全（Network Security）lIEEE 802.11无线以太网lIEEE 802.12100VG-AnyLAN（Voice Grade - Sprache geeignet）lIEEE 802.14有线电视（CATV）lIEEE 802.15无线个人局域网路（Wireless Personal Area Network，WPAN）lIEEE 802.

21、17弹性分组环（Resilient Packet Ring）。ZigBeel ZigBee是一种短距离、低功耗的无线网络技术，主要由ZigBee联盟制定，其底层是采用 IEEE 802.15.4 标准规范的MAC与PHY层。ZigBee与与802.15.4PHY868MHz / 915MHz / 2.4GHzMACNetworkStar / Mesh / Cluster-TreeSecurity32- / 64- / 128-bit encryptionApplicationAPIZigBeeAllianceIEEE 802.15.4l“the software” lNetwork, Secu

22、rity & Application layerslBrand managementIEEE 802.15.4l“the hardware” lPhysical & Media Access Control layers802.15.4和和ZigBee区别区别l ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE802.15.4是IEEE确定的低速率，无线个域网（personal area network）标准。这个标准定义了“物理层”（physical layer）和“媒体控制层”（medium access layer）。 物理层（PHY)规范

23、确定了在2.4G赫兹以250kbps的基准传输率工作的低功耗展频无线电。（另有一些以更低数据传播率工作的915兆赫兹和868兆赫兹的实体层规范， 但它们不太流行）。l媒体控制层（MAC）规范定义了在同一区域工作的多个802.15.4无线电信号如何共享空中通道。 介质存取层支持几种架构，包括星状拓扑结构（一个节点作为网络协调点，类似于802.11的接入点），树状拓扑结构（一些节点依次经过另一些节点才到达网络协调点）和网状拓扑结构（无须主协调点，各个节点之间分享路由职责）。l但是仅仅定义实体层和介质访问层并不足以保证不同的设备之间可以对话。于是便有了ZigBee联盟。ZigBee从802.15.4

24、标准开始着手，目前正在定义允许不同厂商制造的设备相互对话的应用纲要。例如，ZigBee“灯纲要”会确定相关的所有协议，因此你从A公司买的ZigBee灯开关会和B公司的灯正常工作。ZigBee联盟联盟ZigBee联盟联盟l 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。l 到目前为止，除了Invensys、Ember、三菱电子、摩托罗拉、TI(德州仪器)、飞思卡尔和

25、飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有200多家成员企业，并在迅速发展壮大。其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OEM商等，例如Honeywell、Eaton和Invensys Metering Systems等工业控制和家用自动化公司，甚至还有像Mattel之类的玩具公司。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。802相关规范相关规范无无线线技术技术101001,00010,000101001,00010,000100,000速率kbpsGSM802.11a/gGPRSEDGE20002003-42005Bl

26、uetooth3GHiperLAN/2Bluetooth 2.0距离（米）802.11bZigBeeWiMediaBluetooth 1.5无线网络技术比较表无线网络技术比较表什么是协议栈什么是协议栈l 在网络中，为了完成通信，必须使用多层上的多种协议。这些协议按照层次顺序组合在一起，构成了协议栈(Protocol Stack)。l 协议栈是指网络中各层协议的总和，一套协议的规范。l 其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。l 使用最广泛的是英特网协议栈，由上到下的协议分别是：应用层（HTTP，TELNET，DNS，EMAIL等），运输层（TCP，

27、UDP），网络层（IP），链路层（WI-FI，以太网，令牌环，FDDI等） ZigBee协议栈协议栈ZigBee协议栈协议栈ZigBee协议栈协议栈l ZigBee 协议栈结构由一组被称作层的模块组成。每一层为上面的层执行一组特定的服务：数据实体提供了数据传输服务，管理实体提供了所有其它的服务。l 每个服务实体通过一个服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP 支持多种服务原语来实现要求的功能。ZigBee协议栈协议栈l 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。l IEEE 802.15.4-2003标准定义了两个较

28、低层：物理层（PHY）和媒体访问控制子层（MAC）。l 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。ZigBee协议栈协议栈l IEEE 802.15.4-2003 有两个PHY 层，这两个PHY 层运行在两个不同的频率范围：868/915MHz 和2.4 GHz。较低频率的PHY 层覆盖了欧洲868 MHz 频带和915 MHz，使用的国家如美国和澳大利亚。较高频率的PHY 层几乎在世界各地使用。l IEEE 802.15.4-2003 MAC 子层使用CSMA-CA 机制来控

29、制无线电信道的访问。其职责也可能包括传输信标帧，同步和提供一个可靠的传输机制。ZigBee协议栈协议栈 ZigBee的NWK层的职责应该包括的采用机制：l加入和离开一个网络l为帧运用安全功能l为到预定目的地的帧寻找路由l发现和维护设备之间的路由l发现单跳的邻居l存储相关的邻居信息ZigBee协议栈协议栈 ZigBee 应用层包括APS、应用程序框架（AF）、ZDO 和制造商定义的应用对象。APS 子层的职责包括：维护绑定表，定义为能够同时根据其服务和需求匹配两个设备在绑定设备之间传输信息 ZDO 的职责包括：定义网络中设备的角色（例如，ZigBee 协调器或终端设备）发起和/或响应绑定请求在网

30、络设备之间建立一个安全的关系 ZDO还负责发现网络上的设备，并决定它们提供哪种应用服务。ZigBee技术特点技术特点l 低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作624个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、Wi-Fi可工作数小时。l 低成本。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2美元。 ZigBee技术特点技术特点l 低速率。ZigBee工作在20250kbps的较低速率，分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps (915MHz)和20kbps(868MHz) 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。 l 近距离。传输范围一般介于10100m 之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到15km。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技术特点技术特点l 短时延。ZigBee的响应速度较快,一般从