《无线传感网技术》 课件 第3章 ZigBee技术

ZigBee技术与应用

------ZigBee系列1

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ZigBee概述ZigBee，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式：蜜蜂通过跳Zig-Zag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置，距离和方向等资讯。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

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

ZigBee概述ZigBee技术发展历程1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术。2.2000年12月成立了工作小组起草IEEE802.15.4标准3.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。ZigBee概述4.2004年12月ZigBee1.0标准(又称为ZigBee2004)敲定，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。5.2005年9月公布ZigBee1.0标准并提供下载。在这一年里，华为技术有限公司和IBM公司加入了ZigBee联盟。但是基于该版本的应用很少，与后面的版本也不兼容。6.2006年12月进行标准修订，推出ZigBee1.1版(又称为ZigBee2006)。该协议虽然命名为ZigBee1.1，但是与ZigBee1.0版是不兼容的。ZigBee概述7.2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007/PRO)。能够兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此时ZigBee联盟更加专注于以下三个方面：

1)、家庭自动化(HomeAutomation；HA)；2)、建筑/商业大楼自动化(BuildingAutomation；BA)；3)、先进抄表基础建设(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；ZigBee概述ZigBee和其他两大主要无线网络科技的比较ZigBee概述ZigBee联盟组成成立于2001年9月成员为半导体厂商、无线IP供应商、OEM厂商及终端用户拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三菱、三星、IBM及华为等ZigBee联盟的宗旨在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产品成为可能。ZigBee概述ZigBee联盟的部分会员CompXsZigBee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

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ZigBee的发展现状以及前景

5.总结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。(结合ZStack-CC2530-2.5.1a协议的文件目录讲解)

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。ZigBee的频带和数据传输率

ZigBee技术体系

ZigBee的物理信道

ZigBee技术体系

ZigBee技术体系ZigBee设备类型

1.ZigBee协调器（Coordinator）

2.ZigBee路由器（Router）

3.ZigBee终端设备（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技术体系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技术体系ZigBee路由器（Router）它执行的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行,因此这个情况下允许路由器电池供电.。ZigBee技术体系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，看它自己的选择。因此它能作为电池供电节点。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。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。

ZigBee技术体系

ZigBee网络设备类型

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。ZigBee技术体系1.Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。

2.通过以上ZigBeeMesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。

3.协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。

4.构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).ZigBee技术体系ZigBee采用的路由算法

ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。

AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无还回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络

ZigBee技术体系

ZigBee网状网络ZigBee技术体系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Zig-Bee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。ZigBee技术体系ZigBee协议栈模型

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。

ZigBee技术体系

ZigBee通信可靠性保证

ZigBee技术体系

ZigBee数据传输率比较

ZigBee技术体系

ZigBee数据传输率比较

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ZigBee的应用ZigBee应用实例结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络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ZigBee技术与应用

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ZigBee应用

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ZigBee的发展现状以及前景

5.总结ZigBee的现状和发展前景ZigBee的市场预测ZigBee的现状和发展前景ZigBee的市场现状以及前景ZigBee的现状和发展前景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