ZigBee技术及其应用.ppt

1、ZigBee技术及其应用,1,主要内容,什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发,2,什么是ZigBee ?,ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 物理层协议：IEEE 802.15.4，采用直接序列扩频技术。可用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段。 应用领域：工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。,3,无线网络标准的比较,4,5,无线网络标准的比较,6,ZigBee

2、的技术优势,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91

3、5MHz（美国），均为免执照（免费）的频段,7,主要内容,什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发,8,低速无线设备,工业、农业和商业,消费电子,个人 健康监护,玩具和游戏,家庭 自动化,PC 机的 外围设备,ZigBee的应用场景,9,结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络,10,基于Zigbee技术的无线智能家居,11,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

4、中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心,12,基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络,13,ZigBee智能交通控制系统无线通信方案,14,ZigBee智能交通控制系统无线通信方案,15,ZigBee产品(1),日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络实验机 (2005年1月） 目的： 测定ZigBee电波传播特性 测定太阳能电池供电性能 测定移动装置定位性能 推进利用ZigBee构筑无所不在的传感器网络,16,ZigBee产品(1),17,ZigBee产品(2),OKI的ZigBee生物传感器节点(2005年2月) 应用在医院等医疗单位 患者实时身体状况信

5、息通过ZigBee网络传送给医生或护理师,18,ZigBee产品(3),日立的压力检测传感器(2004年12月) 用于大型机械和建筑物的安全监控 支持ZigBee规格，通信距离达100米 每5分钟通信一次，1节5号锂电池可工作3年以上,19,ZigBee产品(4),三菱的ZigBee无线传感器(2004年10月) 尺寸：5.4cm x 4.4cm x 0.8cm 传感器模块配备温度、湿度、加速度、光照度、紫外线、人体感应及声压传感器 用于家庭保安系统,20,ZigBee产品(5),韩国 Pantech设备间无线数据链路的建立、维护和结束。,路由，保证网络内的点到点的数据传输。,对数据进行加密，

6、保证数据的完整性。,25,物理层(1),遵循IEEE802.15.4协议。 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。 调制方式：扩频通信 信号传输距离：50m（室内），150m（室外）。,26,物理层(2),27,物理层(3),28,MAC层(1),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 网络中每个设备为16位地址寻址,29,MAC层(2),ZigBee网络中的三种设备类型,网络协调器：每各ZigBee网络必须有一个.初始化网络信息. 全功能设

7、备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的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。 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 在空闲时起网络路由器作用。 也能用作终端设备 精简功能设备(RFD)：只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。 附带有限的功能来控制成本和复杂性 在网络中通常用作终端设备。,30,全功能器件 FFD = RFD+Router 可工作于所有网络结构 可作为网络协调器 可与网络中任何节点通信,简化功能器件 RFD 仅可和网络中的FFD通信 不能作为网络协调器,31,MAC层(4),周期性的数据通信 由用户决定

8、周期的长短 如：烟雾传感器 间歇性的数据通信 由用户或外界事件引发决定间歇长短 如：电灯开关 重复而快速反应的数据通信 指定固定的时隙进行通信 如：鼠标、键盘,32,网络及安全层,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 保证数据的完整性 使用可选的AES-128对通信加密,33,应用支持层及应用层,应用支持层维持器件的功能属性 应用支持层发现该器件工作空间中其他器件的工作 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,34,无线组网基础,网络扫描 装置扫描16个信

9、道，以确定可占用的最佳信道。 组建/连接一个PAN 装置可在自由信道上组建一个网络（协调器）或连接到一个已存在的网络上。 装置搜寻 装置询问网络，以在活动信道中搜寻相符的装置。 服务搜寻 装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务。 绑定 装置间通过命令/控制信息实现通信。,35,形成 ZigBee 网络的方法,一个网络的形成，必须由FFD率先担任网络协调者，建立网络，再由其它的FFD或是RFD加入这个网络，不过RFD只能和FFD连结。 根据装置在网络中的功能，预先对装置编制好程序 协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道来启动一个网络。 路由器 (一个网络中的mesh设备)的功能是通过扫

10、描搜索，以发现一个激活的信道并将其连接，然后允许其它装置连接。 终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。 装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置 允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化。 将装置与可提供完整服务的其它装置进行绑定 绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征。,36,主要内容,什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发,37,ZigBee解决方案,38,ZigBee解决方案,TI经典方案CC2430+Z-Stack,CC2430芯片,Z-stack,协议软件，类似于TCP/IP的实现,物

11、理层芯片，类似于网卡芯片,CC2430是系统级芯片(SoC) ，在单个芯片上集成了ZigBee RF前端、内存和微控制器。,Z-Stack ZigBee协议栈，是一个软件包，提供一套C函数，应用程序通过函数调用实现期望的通讯功能。,39,CC2430,RF/LAYOUT 兼容IEEE802.15.4 的RF前端 7*7mm QLP48 封装 功耗 低功耗（接收 27mA，发送27mA） 休眠电流0.3-0.5A 宽电压工作（2.0V 3.6V） 内核 一个加强51 128KB FALSH（另有32K、64K可选） 8KB RAM（4KB 可以全模式工作） DMA功能 自带看门狗 一个IEEE8

12、02.15.4 MAC定时器 支持硬件调试,外设 CSMA/CA(硬件支持) 信号强度自动生成 电源、温度管理 12位ADC 128位AES加密处理 两个全功能串口 21 个 I/O 开发工具 (编译器) IAR Embedded Workbench,单价不超过4美元,40,41,主要内容,什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发,42,应用ZigBee进行电子信息系统开发,快速开发利用ZigBee串口模块,缺点：成本高,体积大！,降低成本：根据需求设计软硬件！,43,开发工具1 开发套件,44,开发工具2编

13、译器IAR,CC2430可以使用KEIL/IAR开进行开发.支持C,汇编等语言.但是建议使用IAR软件.原因有两点:,TI Z-Stack协议栈使用IAR开发完成,要使用免费的ZigBee协议,就要使用IAR. 使用IAR才能获得其他技术支持,IAR入门,45,打开存在的项目,46,创建一个新项目,47,保存项目,48,添加源文件,添加一个存在的源文件,49,新建源文件,50,编写代码,51,保存源文件,52,选择芯片型号,53,选择防真方式,54,选择防真器的接口方式,55,编译,56,连接,57,查看信息窗口,58,调试,59,Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各

14、层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。 如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。 整个Z-stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段，下面将逐一详细分析。,Z-Stack协议栈工作流程,60,Z-Stack系统运行流程图,61,ZSEG int main( void ) /主函数例子（即启动程序） osal_int_disable( INTS_ALL ); / 关闭中断 HAL_BOARD_INIT(); / 初始化HAL zmain_vdd_check() ;

15、 /电压检测 zmain_ram_init(); / 初始化stack存储区 InitBoard( OB_COLD ); /初始化板载IO HalDriverInit(); /初始化HAL驱动 osal_nv_init( NULL ); /初始化NV系统 zmain_ext_addr(); /确定MAC地址 zgInit(); /初始化基本NV条目 ZMacInit(); /初始化MAC afInit();/初始化AF osal_init_system(); /初始化操作系统 osal_int_enable( INTS_ALL ); / 允许中断 InitBoard( OB_READY );/初始化开发板 zmain_dev_info(); /显示设备信息 zmain_lcd_init(); /液晶初始化 osal_start_system(); /启动操作系统 ,62,应用程序任务,Z-stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务，因此在开发