无线传感网技术及应用 课件 项目01 认识ZigBee无线传感网技术

项目一认识ZigBee无线传感网技术目录项目导入项目目标项目分析知识储备01030204拓展训练05项目导入01项目导入

作为一种与蓝牙、Wi-Fi齐名的短距离无线传感网技术，ZigBee具有功耗低、成本低、安全性好、网络容量大、工作频段灵活等优点，广泛应用于工业控制、智能家居、医疗护理、智能农业、智能物流、城市交通、消费电子等领域，目前最新版本为ZigBee3.0。

本项目将介绍ZigBee技术的基本知识及其它几种常见的近距离无线传感网技术。项目分析02目前，物联网系统架构通常划分为四层，传感网是物联网系统的关键组成部分，它覆盖了感知层和网络层。感知层实现对设备的信息和状态进行感知和控制；网络层实现感知层和平台层之间的信息传输。随着技术的不断进步，现在的传感网已经有很多类型，按照传输介质来分，传感网可以分为有线传感网和无线传感网。典型的有线传感网有RS-485总线网络、CAN总线网络和PLC电力线载波等。常见的无线传感网有基于Wi-Fi、蓝牙、红外线、ZigBee、Z-Wave、LoRa和NB-IoT等无线技术的无线传感网。本项目主要学习基于ZigBee的无线传感网技术应用与开发技术。项目分析项目要求:

认识ZigBee无线传感网技术，掌握ZigBee无线传感网定义、特点和应用领域。项目分析项目目标

03项目目标项目目标掌握ZigBee无线传感网的定义掌握ZigBee无线传感网的特点了解ZigBee协议的版本了解ZigBee芯片及其发展了解Z-Stack协议栈的发展过程知识储备04知识储备知识储备ZigBee无线传感网定义ZigBee无线传感网特点常用短距离无线通信技术ZigBee版本ZigBee芯片发展Z-Stack协议栈发展知识储备

ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术名称，这一名称来源于蜜蜂的八字舞。蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式，借此意义将这种新一代无线通讯技术命名为ZigBee。一、ZigBee无线传感网定义知识储备（1）低功耗：这是ZigBee一个显著特点。ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，由于工作周期较短，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。（2）低成本：协议简单且所需的存储空间小，这极大降低了ZigBee的成本，每块芯片价格仅1美元左右，而且ZigBee协议是免专利费的。（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。典型的设备搜索时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延要求比较敏感的场合。（4）数据传输速率低：只有20kbps到250kbps，专注于低数据传输速率的场合。（5）网络容量大：一个ZigBee设备可以与另外254个设备相连接，一个ZigBee网络可以容纳最多65536个设备，一个区域内可以同时存在100个ZigBee网络。网络有星状、树状和网状网络结构。在有节点加入和撤出时，网络具有自动修复功能。二、ZigBee无线传感网特点知识储备（6）有效范围小：有效覆盖范围在10～200米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。（7）工作频段灵活：使用免费频段分别为2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲）以及915MHz（美国），均为免执照频段。（8）安全性高：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，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。（9）数据传输可靠性高：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以进行重发。二、ZigBee无线传感网特点知识储备

1.Wi-Fi/IEEE802.11协议Wi-Fi原先是无线保真（WirelessFidelity）的缩写，在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种基于IEEE802.11标准的无线局域网(WLAN)技术。优点：覆盖范围广，数据传输速率快。缺点：存在一定的安全风险，信号稳定性较差，功耗略高，组网能力差。三、常用短距离无线通信技术知识储备表1-1各Wi-Fi版本的主要技术参数Wi-Fi版本Wi-Fi标准发布时间最高速率工作频段Wi-Fi7IEEE802.11be2022年30Gbps2.4GHz，5GHz，6GHzWi-Fi6IEEE802.11ax2019年11Gbps2.4GHz或5GHzWi-Fi5IEEE802.11ac2014年1Gbps5GHzWi-Fi4IEEE802.11n2009年600Mbps2.4GhH或5GHzWi-Fi3IEEE802.11g2003年54Mbps2.4GHzWi-Fi2IEEE802.11b1999年11Mbps2.4GHzWi-Fi1IEEE802.11a1999年54Mbps5GHzWi-Fi0IEEE802.111997年2Mbps2.4GHz知识储备

2.蓝牙/IEEE802.15.1协议蓝牙（Bluetooth）技术最早始于1994年，由瑞典电信巨头爱立信公司研发。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE802.15.1标准，但如今已不再维持该标准。

优点：速率快、低功耗，安全性高。

缺点：网络节点少，不适合多点布控。三、常用短距离无线通信技术知识储备蓝牙采用的波段为2.4–2.485MHz。这是全球范围内无需取得执照的工业、科学和医疗（ISM）用的2.4GHz无线电频段。蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1MHz。蓝牙4.0使用2MHz间距，可容纳40个频道。第一个频道始于2402MHz，每1MHz一个频道，至2480MHz，通常每秒跳1600次。

蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。一个主设备至多可和同一网中的七个从设备通讯。所有设备共享主设备的时钟，设备之间可通过协议转换角色，从设备也可转换为主设备（比如，一个头戴式耳机如果向手机发起连接请求，它作为连接的发起者，自然就是主设备，但是随后也许会作为从设备运行）知识储备

3.ZigBee/802.15.4协议

ZigBee被正式提出来是在2003年，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷。ZigBee可工作在三个频段868MHz-868.6MHz、902MHz-928MHz和2.4GHz-2.4835GHz，其中最后一个频段世界范围内通用，16个信道，该频段也属于全球范围内无需取得执照的ISM(IndustrialScientificMedical)频段。三个频段传输速率分别为20kbps、40kbps以及250kbps。

ZigBee采用自组网的方式进行通信，在无线传感器网络中，当某个传感器的讯息从某条通信路径无法顺畅的传递出去时，动态路由器会迅速的找出另外一条近距离的信道传输数据，从而保证了信息的可靠传递。

优点：安全性高、功耗低、组网能力强、容量大、电池寿命长。

缺点：抗干扰性差，ZigBee协议没有开源，通信距离短，数据传输率较低。三、常用短距离无线通信技术知识储备

4.NFC

近场通信（NearFieldCommunication）是一种新兴的技术，使用了NFC技术的设备（比如手机）可以在彼此靠近的情况下进行数据交换。NFC技术是由非接触式射频识别(RFID)及互连互通技术整合演变而来，由飞利浦和索尼共同研制开发，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。NFC与蓝牙技术功能类似，但传输速率和传输距离没有蓝牙快和远，同时功耗和成本都较低，保密性好，这些优点让它成为移动支付和消费类电子的宠儿。

优点：低成本、低功耗，高安全性。

缺点：数据传输率较低，不能组网。三、常用短距离无线通信技术知识储备

5.其他短距通信技术

除了以上4种典型的短距无线通信技术之外，还有超宽带、红外等技术。超宽带（UWB）是一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，能在10m左右的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率，具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、低截获能力、定位精度高、抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗能量小等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入，主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

红外技术也是无线通信技术的一种，可以进行无线数据的传输。红外有明显的特点：点对点的传输方式、无线、不能离得太远，要对准方向，不能穿墙与障碍物，几乎无法控制信息传输的进度。802.11物理层标准中，除了使用2.4GHz频率的射频外，还包括了红外的有关标准。IrDA1.0支持最高115.2kbps的通信速率，IrDA1.1支持到4Mbps。三、常用短距离无线通信技术知识储备三、常用短距离无线通信技术表1-2各种短距无线通信技术的主要技术参数技术参数Wi-Fi蓝牙ZigBeeNFCUWB红外数据传输率11-54Mbps720kbps-1Mbps20-250kbps424kbps53-480Mbps20bps通信距离100m-200m10m30m10cm0.2-40m10m标准IEEE802.11IEEE802.15.1IEEE802.15.4ISO18092

NEC/飞利浦/东芝等采用频段2.4GHz2.4GHz2.4GH/868MHz/915MHz13.56MHz3.1GHz-10.6GHz38KHz安全性低高中高极高高功耗10-50mA20mA5mA10mA10-50mA1mA抗干扰性能较低较低中中高高知识储备

第一个ZigBee协议栈规范于2004年12月正式发布，称为ZigBee1.0或ZigBee2004。

第二个ZigBee协议栈规范于2006年12月发布，称为ZigBee2006规范，主要是用“群组库（ClusterLibrary）”替换了ZigBee2004中的MSG/KVP结构。

第三个ZigBee协议栈规范于2007年10月发布，称为ZigBee2007规范，它包含两个协议栈模板（Profile）,一个是ZigBee协议栈模板(StackProfile1)，它是2006年发布的，目标是消费电子产品和灯光商业应用环境，设计简单，使用在少于300个节点的网络中。另一个是ZigBeePro协议栈模板(StackProfile2)，它是在2007年发布，目标是商业和工业环境，支持大型网络，1000个以上网络节点，具有更高的安全性，并增加了多播、多对一路由等功能。四、ZigBee版本知识储备

2016年5月，ZigBee联盟推出了ZigBee3.0标准。其主要的任务就是为了统一众多应用层协议，解决了不同厂商ZigBee设备之间的互联互通问题。用户只要购买任意一个经过ZigBee3.0的网关就可以控制不同厂家基于ZigBee3.0的智能设备。四、ZigBee版本知识储备

1.早期ZigBee芯片发展

从2003年12月，Chipcon公司推出业界第一款ZigBee收发器CC2420以来，各大半导体厂家可谓百家争鸣，先后推出许多款ZigBee收发芯片，其中仍然以Chipcon最受关注。先后有多家公司推出与ZigBee收发芯片匹配的专业处理器，除了Chipcon外就以微芯的PIC18F4620和ATMEL的A222222最为成功。2004年12月Chipcon推出全球第一个基于IEEE802.15.4/ZigBee协议的片上系统（SoC）解决方案--CC2430无线单片机，该款芯片内部集成了一颗增强型的8051内核以及业内性能卓越的ZigBee收发器CC2420。2005年12月，Chipcon再接再厉，推出内嵌定位引擎的ZigBee/IEEE802.15.4解决方案CC2431。五、ZigBee芯片发展知识储备

2006年2月TI公司收购Chipcon公司，以壮大其在RF行业的龙头地位。之后TI在发布的ZigBee收发器以及无线单片机上进行不断的修订，也陆续开发出具有针对性的开发系统，并于2006年10月把其自身的MSP430处理器用于ZigBee收发器的控制，并于2007年5月推出整套CC2420+MSP430ZigBee/IEEE802.15.4DevelopmentKit开发包。2008年2月，推出第二代ZigBee/IEEE802.15.4收发芯片CC2520，2008年4月推出ZigBee协处理器CC2480，2008年6月推出2.4G放大芯片CC2591。五、ZigBee芯片发展知识储备

芯片供应商TI共推出了三种ZigBee方案，方案1为单芯片(SOC)CC2430/CC2431；方案2为协处理器(CC2480)方案，提供AT命令接口；方案3为MCU加射频收发器(CC2520/CC2420)。方案1和2功耗理想，其中方案1是单芯片方案，集成度高；方案3是采用TIMSP430加上外置的射频收发器。方案2的ZigBee协处理器可以与任何MCU接口，下一步还将和DSP对接，因此方案2更加灵活，上市时间更快。五、ZigBee芯片发展知识储备

2.国外ZigBee芯片最新发展近年来，国外芯片巨头主要提供了CC2530、CC2630和JN5168等ZigBee芯片方案。1）CC2530。CC2530是美国TI推出的一款用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的SOC解决方案。集成了增强型工业标准8051MCU和IEEE802.15.4RF收发器，拥有系统可编程Flash、8-KBRAM和UART、SPI、DMA等诸多强大外设功能。CC2530有四种不同的Flash版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32KB/64KB/128KB/256KB的Flash存储器。（成都亿佰特电子科技有限公司自主生产的E18系列产品采用CC2530F256内核处理器）。2）CC2630。CC2630是美国TI推出的内含一个32位ARMCortex–M3内核，与携带了ARMCortex-M0内核管理的IEEE802.15.4MAC系统同时运行的双内核SOC，双内核架构可改善整体系统的性能和功耗，并释放闪存以供应用。其主频高达48MHz，富有丰富外设的，高达128KBFlash和20KBSRAM，可有效解决ZigBee和6LoWPAN应用方案。3）JN5168。JN5168是一款NXP推出的支持JenNet-IP,ZigBeePRO或RF4CE网络的32位增强型带嵌入式EEPROM存储器的RISC处理器。拥有256KBFlash和32KBRAM，以及IEEE802.15.4无线收发器，提供了一个完整的集成解决方案。五、ZigBee芯片发展知识储备

3.国内ZigBee芯片最新发展国内知名ZigBee芯片生产商有台晶科技、炬力、深谷电子等。与国外品牌相比，国内ZigBee芯片生产企业产品价格较便宜，同时具备性能稳定、环保、易操作等特点，是大批企业、个人选择使用的主要原因。目前，国内ZigBee芯片市场份额逐年上升，并且预计在未来几年会进一步扩大。1）国产ZigBee芯片的优势国产ZigBee芯片与进口芯片相比，虽然在品牌影响力、市场认可度、稳定性等方面还有些劣势，但也具有以下明显优势：（1）成本更低：国产ZigBee芯片的生产成本相对进口芯片较低，因此国产芯片的产品价格更优惠，同时质量得到了保障。（2）适应国内市场：国产芯片与进口芯片相比，它们能够更好地适应国内市场的需求，同时能够提供更符合中国国情的一系列软硬件支持。（3）技术逐步提升：虽然国内ZigBee芯片的技术与进口芯片仍有差距，但是随着技术的不断创新和推动，国产芯片技术也逐渐提升，其性能也逐渐得到提高。五、ZigBee芯片发展知识储备2）国产ZigBee芯片的发展前景和趋势目前，国内智能家居市场逐渐普及，物联网应用也逐渐成熟。随着技术的发展和应用需求的不断增长，ZigBee芯片市场将不断扩大，目前中国已经成为全球大的物联网市场之一。在这种情况下，国产ZigBee芯片有望逐步获得更多市场份额，其发展前景也逐渐被看好。（1）政策扶持：因全球贸易环境和国内政策的影响，在一些市场领域的采购和使用坚持中国制造，这给国产ZigBee芯片带来了很好的机遇和政策支持。（2）生态圈建设：除了芯片本身，支持ZigBee技术的设备、平台、工具、服务等生态圈建设也非常重要，这将吸引开发者和合作伙伴加入其中，共同推动技术的发展。（3）行业应用需求：智能家居、智慧城市、工业控制、医疗健康等领域对低功耗、低成本、高可靠性的无线物联网技术有着巨大的需求，尤其是在应对人口老龄化、环保节能等社会经济问题方面，ZigBee技术也将发挥更加重要的作用。五、ZigBee芯片发展知识储备2007年1月推出ZigBee协议栈(Z-Stack)，并于2007年4月提供免费下载版本V1.4.1，之后陆续推出了V1.4.2、V1.4.3等版本。2008年4月，针对MSP430F4618+CC2420组合把Z-Stack升级为V2.0.0。2008年8月，升级Z-StackV2.0.0支持CC2520+MSP430。200