802154原理与ZigBee技术与应用介绍

802154原理与ZigBee技术与应用介绍第一页，共67页。提纲一三IEEE802.15.4概述IEEE802.15.4物理层规范二ZigBee与IEEE802.15.4四IEEE802.15.4MAC层规范第二页，共67页。IEEE802.15.4概述

IEEE802.15.4工作组致力于定义一种供廉价固定的、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并在2003年12月通过了第一个IEEE802.15.4标准。随着无线个域网的推广，无线通信网络越来越关注于如何扩展WLAN的能力以及开发出一种新的通信方法来适应不断增长的业务需求。由此就产生了低速率无线个域网标准的概念，而随着无线传感器网络技术的发展，这个也适用于无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。IEEE802.15.4标准定义了在个人局域网中通过射频方式在设备间进行互相通信的方式与协议。作为支持低速率、低功耗、短距离无线通信的协议标准，IEEE802.15.4在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全考虑等方面都做出了说明。协议模型划分为物理层(PHY)和I媒体访问控制层(MAC)两个子层进行实现。第三页，共67页。IEEE802.15.4与ZigBee

ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层、安全层应用层、以及各种应用产品的架构;而由IEEE所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层及MAC层。第四页，共67页。ZigBee每层基本功能物理层指定了网络的接口组成、参数和运算。MAC层遵循IEEE802．15．4协议，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，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构。网络层建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之间的同步、提供网络的路由。安全层

依靠相称性密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。应用层

ZigBee的应用层由应用子层(APS)、设备对象(ZDO)以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用包括维护绑定表、在绑定设备间传输信息。ZDO的作用包括在网络中定义一个设备的作用、发现网络中的设备并确定它们能提供何种服务、起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。制造商定义的应用对象根据ZigBee定义应用说明执行实际的应用。

第五页，共67页。IEEE802.15.4标准

IEEE802.15.4的物理层定义了物理信道和MAC子层间的接口，提供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，物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库。在IEEE802.15.4的MAC层中引入了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的引入极大了方便了网络管理，我们可以选用以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。

MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。第六页，共67页。物理层频带参数在IEEE802.15.4，无线电线路可以运转在无需执照的三个频带上：868MHz，902到928MHz和2.4GHz。

在868MHz和915MHz这两个频段上，信号处理过程相同，只是数据速率不同。处理过程，首先将数据单元的二制数据差分编码，然后再将差分编码后的每一个位转换为长度为15的片序列，最后BPSK调制到信道上。

2．4GHz频段的处理过程，首行将数据单元的二进制数据中每4位转换为一个符号（symbol），然后将每个符号转换成长度为32的片序列。在把符号转换片序列时，用符号在16个近似正交的伪随便噪声序列的映射表，这是一个直接序列扩频的过程。扩频后，信号通过O-QPSK调制方式调制到载波上。第七页，共67页。第八页，共67页。物理帧格式前导码（4字节）：用于符号同步。起始分隔符（1字节）：用于帧同步。物理头端（1字节）：指定了物理服务数据单元的长度。物理服务数据单元（<=127字节）：用于负载数据。前导码起始分隔符物理头端物理服务数据单元(PSDU)6字节0-127字节第九页，共67页。MAC层网络设备与网络拓扑MAC层帧类型超帧结构信标使能和信标不使能模式CSMA/CA算法第十页，共67页。MAC层网络设备两种设备类型:精简功能设备(RFD)全功能设备(FFD)

FFD与RFD的差别：FFD有能力成为协调者并选取一个频道建立新的网络，而RFD只能透过向协调者注册并连结后才能使用网络；另一个差别在于，并不是任何节点都有资格向协调者提出GTS使用申请，此节点必须属于FFD才可向协调者要求保证传输时槽使用权。三种设备角色:端设备Enddevice(RFDorFFD)：只具有简单的收发功能，不能进行分组的转发。协调器Coordinator(FFD)：通常通过发送信标实现与周围节点的同步，且具有转发分组的功能。网络协调器PANCoordinator(FFD)：为整个网络的主控节点，并且每个IEEE802.15.4网络只能有一个网络协调点第十一页，共67页。网络拓扑结构星型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，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，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。第十二页，共67页。MAC帧格式MAC层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠数据传输帧组成地址格式：16位短地址和64位扩展地址帧控制字段的内容指示地址类型帧的类型：信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧第十三页，共67页。信标帧格式超帧字段：持续时间；活跃部分持续时间；竞争访问时断持续时间GTS分配释放信息：将无竞争时断划分为若干个GTS，并把每个GTS具体分配给某个设备转发数据目标地址：列出了与协调者保存的数据相对应的设备地址信标帧负载数据：为上层协议提供数据传输接口第十四页，共67页。数据帧格式传输上层发送到MAC子层的数据MAC服务数据单元：数据负载传送至MAC子层MAC帧：MAC服务数据单元+MHR头信息+MFR尾信息第十五页，共67页。确认帧格式如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的确认请求位设置为1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度为0。确认帧紧接着被确认帧发送，不需要使用CSMA-CA机制竞争信道。第十六页，共67页。命令帧格式命令帧用于组建PAN，传输同步数据等。命令帧有9种类型。命令帧的功能：把设备关联到PAN；与协调器交换数据；分配GTS。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。第十七页，共67页。超帧结构在IEEE802.15.4中，可以选用超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧开始，在信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到包含超帧结构的信标帧后，就可以根据其中的配置信息安排自己的任务。超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。第十八页，共67页。信标使能与信标不使能信标使能模式下，协议引入超帧的概念，实现协调器和设备的时间同步、识别PAN及实现设备之间的通信。PAN通过定义信标帧的内容来实现对超帧的控制，并周期性的广播。网络采用严格的时间同步，分时隙进行通信。可以在CAP采用时隙CSMA/CA协议进行通信，在CFP采用时隙GTS机制进行通信。在信标不使能模式下，协议较为简单，并不采用超帧结构，设备通过无时隙的CSMA/CA机制发送数据。第十九页，共67页。信标使能通信设备发送数据给协调器协调器发送数据给设备第二十页，共67页。CSMA/CA当某个节点有数据发送时，就采用时隙或者非时隙的ＣＳＭＡ/ＣＡ进行数据传输。在信标使能网络中，采用的是时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，要求设备的退避时隙的边界必须在超帧时隙的边界上，如果ＣＳＭＡ/ＣＡ机制的动作没有在超帧时隙的边界上完成，下一动作将延时到下一个超帧时隙的开始边界进行。在非信标使能网络中，采用的是非时隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，此模式不需要设备在退避时隙同其他设备的退避时隙同步。第二十一页，共67页。NB(后退次数，NumberOfBack)记录的是已执行backoff的次數，每执行一次此值就会加1。如果遇到使用CCA去侦测频道为忙碌时，就必须要重新去随机取一个backoff，而此时NB就会增加。NB最大值为4如果在这四次中侦测频道都为忙碌的话就放弃传送此资料，其是为了避免系统有过大的负担。。CW(碰撞窗口的长度，contentwindowlength)其单位为backoffperiod在IEEE802.15.4中的默认值为20个symbols。其含义是必须执行几次侦测频道皆为闲置时才可将数据送出，初始值为2

会随着侦测到频道闲置而递减。BE(后退指数，Backoffexponent)是用來计算Backoff时间的一个参数。其公式为：

BackoffTime=2BE–1。取值范围为0～5，协议推荐的默认值为3，最大值为5。当BE设为0时，则只进行一次碰撞检测。第二十二页，共67页。》》谢谢观看第二十三页，共67页。ZigBee技术与应用

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刘波2010年10月13日第二十四页，共67页。ZigBee技术与应用

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ZigBee概述

2.

ZigBee技术体系

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ZigBee应用

4.

ZigBee的发展现状以及前景

5.总结第二十五页，共67页。ZigBee概念Zigbee是IEEE802.15.4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。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

第二十六页，共67页。ZigBee的起源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,zigbeeAlliance成立。Zigbee协议在2003年正式问世。2004年,zigbeeV1.0诞生。2006年,推出zigbee2006,比较完善。2007年底,zigbeePRO推出。

ZigBee概述

第二十七页，共67页。ZigBee技术与应用

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ZigBee概述

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ZigBee技术体系

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ZigBee应用

4.

ZigBee的发展现状以及前景

5.总结第二十八页，共67页。ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4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IEEE802.15.4用户硬件实现ZigBee平台通信栈应用层第二十九页，共67页。ZigBee协议层作用

ZigBee技术体系

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。第三十页，共67页。ZigBee的频带和数据传输率

ZigBee技术体系

第三十一页，共67页。ZigBee的物理信道

ZigBee技术体系

第三十二页，共67页。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。第三十三页，共67页。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种设备类型中嘴复杂的一种，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。第三十四页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网络设备类型第三十五页，共67页。

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。第三十六页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络第三十七页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络第三十八页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络第三十九页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络第四十页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络第四十一页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee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。网络的自组织自语能力强■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。第四十二页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee通信可靠性保证第四十三页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee数据传输率比较第四十四页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee数据传输率比较第四十五页，共67页。

ZigBee技术体系

ZigBee技术优势数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段第四十六页，共67页。ZigBee技术与应用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技术体系

3.

ZigBee应用

4.

ZigBee的发展现状以及前景

5.总结第四十七页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用条件低功耗低成本较低的报文吞吐率需要支持大型网络接点的数量级对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）需要可选择的安全等级（采用AES-128）加密发送鉴别报文的完整性需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用要求高的网络自组织、自恢复能力第四十八页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用场合低速无线设备·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠标·

键盘·

操作杆

·

保安·

HVAC·

照明·

门禁

·

玩具·

游戏器具

·

监视·

诊断·

传感器·

监视·

传感器·

自动化·控制工业、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第四十九页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用实例结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络第五十页，共67页。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第五十一页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用实例ZigBee技术在石油石化行业的应用液化天然气罐远程监控汽油管线的腐蚀监测润滑油供应链汽油管线侵入者监测液化天然气容器跟踪第五十二页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用实例ZigBee技术在石油石化行业的应用游船引擎震动监控油罐车驾驶员安全措施化工产品铁路槽车的远程信息处理第五十三页，共67页。ZigBee的应用ZigBee应用实例基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络第五十四页，共67页。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-交通路口控制通信第五十五页，共67页。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第五十六页，共67页。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ZigBee中心节点ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心第五十七页，共67页。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第五十八页，共67页。ZigBee技术与应用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技术体系

3.

ZigBee应用

4.

ZigBee的发展现状以及前景

5.总结第五十九页，共67页。ZigBee的现状和