Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻(xiàn)調(diào)研

Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻(xiàn)研究北京丫蛋天地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開(kāi)發(fā)公錄Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻(xiàn)研究1第1章ZIGBEE概述41.1紫蜂4的定義和特性1.1.1紫蜂游戲攻略41.1.2紫蜂技術(shù)特征51.2 ZIGBEE關(guān)鍵組件51.2.1網(wǎng)絡(luò)射頻芯片51.2.2微控制器91.2.3 ZIGBEE協(xié)議棧(ZIGBEE軟件)111.3紫蜂與其他短程通信技術(shù)的比較121.3.1藍(lán)牙121.3.2 WIFI171.3.3無(wú)線USB201.3.4超寬帶221.3.5 WIMAX231.4 ZIGBEE國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)271.4.1 ZIGBEE協(xié)議由27個(gè)組成1 . 4 . 2 IEEE 802 . 15 . 4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)28的發(fā)展1.4.3紫蜂標(biāo)準(zhǔn)32的開(kāi)發(fā)第二章ZIGBEE發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)332.1 ZIGBEE聯(lián)盟332.2全球ZIGBEE發(fā)展趨勢(shì)332.2.1全球ZIGBEE市場(chǎng)概述342.2.2全球ZIGBEE產(chǎn)品供應(yīng)和需求342.2.3全球ZIGBEE應(yīng)用市場(chǎng)潛力352.3中國(guó)ZIGBEE發(fā)展趨勢(shì)352.3.1華立儀器362.3.2華為362.3.3上海周順網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司372.3.4藍(lán)色部分372.3.5北京交行自動(dòng)化技術(shù)有限公司38第三章ZIGBEE應(yīng)用403.1 ZIGBEE應(yīng)用領(lǐng)域403.1.1工業(yè)應(yīng)用403.1.2精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用433.1.3家庭和建筑自動(dòng)化領(lǐng)域453.1.4醫(yī)療領(lǐng)域473.1.5消費(fèi)和家庭自動(dòng)化市場(chǎng)473.1.6在道路方向和促進(jìn)安全出行方面483.1.7汽車(chē)行業(yè)3.2 ZIGBEE應(yīng)用示例483.2.1基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線訂購(gòu)系統(tǒng)通信解決方案483.2.2基于ZIGBEE技術(shù)的管道監(jiān)控?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)493.2.3基于ZIGBEE技術(shù)的無(wú)線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)513.2.4基于ZIGBEE技術(shù)的水文水資源監(jiān)測(cè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)553.2.5 ZIGBEE智能交通控制系統(tǒng)無(wú)線通信方案573.2.6醫(yī)院對(duì)患者進(jìn)行醫(yī)療和健康監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)設(shè)備和設(shè)施593.2.7無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)在世界上的兩個(gè)主要應(yīng)用633.2.8在石化工業(yè)和油田中的應(yīng)用66第四章ZIGBEE相關(guān)廠商研究744.1微控制器和射頻收發(fā)器組件制造商754.1.1 CHIPCON754.1.2 HELICOMM774.1.3飛思卡爾784.1.4 JENNIC)804.1.5 ATMEL824.1.6硅LABS844.1.7 EMBER854.1.8集成協(xié)會(huì)854.1.9大成電子864.1.10 OKI864.1.11放射性脈沖894.2紫蜂協(xié)議棧91的制造商4.2.1微型芯片914.2.2臺(tái)灣投資政策委員會(huì)網(wǎng)絡(luò)多媒體研究所924.2.3空運(yùn)924.2.4 EMBER934.3 ZIGBEE模塊944.3.1 DIGI國(guó)際944.3.2華寶通信944.3.3松下電子儀器公司95參考文獻(xiàn)：96篇第1章ZIGBEE概述1.1紫蜂的定義和特征ZigBee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，應(yīng)用于短距離和低傳輸數(shù)據(jù)速率的各種電子設(shè)備。ZigBee的名字來(lái)自蜜蜂生存和發(fā)展所使用的通訊方式。蜜蜂用之字形舞蹈告知新發(fā)現(xiàn)食物來(lái)源的位置、距離和方向，這是新一代無(wú)線通信技術(shù)的名稱(chēng)。在過(guò)去，紫蜂也被稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“射頻易鏈接”或“螢火蟲(chóng)”無(wú)線電技術(shù)，現(xiàn)在統(tǒng)稱(chēng)為紫蜂技術(shù)。1.1.1紫蜂簡(jiǎn)介Zigbee是一種新型的短距離、低速、低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這是無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)方案。它以前被稱(chēng)為“HomeRF Lite”或“螢火蟲(chóng)”無(wú)線技術(shù)，主要用于短程無(wú)線連接。它有自己的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，可以協(xié)調(diào)成千上萬(wàn)個(gè)微型傳感器之間的通信。這些傳感器只需要低功耗，并且通過(guò)無(wú)線電波以中繼方式將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳輸?shù)搅硪粋€(gè)傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，數(shù)據(jù)可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析，或者通過(guò)另一種無(wú)線技術(shù)(如WiMax)進(jìn)行收集。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，它是IEEE個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的標(biāo)準(zhǔn)，被稱(chēng)為IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee不僅僅是802.15.4的名字。IEEE只處理低層MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟將其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API標(biāo)準(zhǔn)化。完整協(xié)議用于4K字節(jié)，可以一次直接連接到一個(gè)設(shè)備的基本節(jié)點(diǎn)，或者用于充當(dāng)集線器或路由器協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個(gè)協(xié)調(diào)器最多可以連接255個(gè)節(jié)點(diǎn)，而幾個(gè)協(xié)調(diào)器可以組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)路由傳輸?shù)臄?shù)量沒(méi)有限制。Zigbee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了一個(gè)安全層，以確保該便攜式設(shè)備不會(huì)意外泄露其身份，并且使用網(wǎng)絡(luò)的這種長(zhǎng)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。1.1.2紫蜂技術(shù)特征Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分：*低數(shù)據(jù)傳輸速率：僅10k字節(jié)/秒至250k字節(jié)/秒，側(cè)重于低傳輸應(yīng)用；*低功耗：在低功耗待機(jī)模式下，兩塊普通的5號(hào)干電池可使用6個(gè)月至2年，從而避免了充電或頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee支持者一直引以為豪的一個(gè)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。*低成本：Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，成本大大降低。紫蜂協(xié)議是免版稅的。*短延遲：通常延遲在15毫秒到30毫秒之間；*安全性：紫蜂提供數(shù)據(jù)完整性檢查和認(rèn)證功能。AES-128用于加密算法，同時(shí)其安全屬性可以靈活確定。*網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)紫蜂網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255臺(tái)設(shè)備，即每個(gè)紫蜂設(shè)備可以連接另外254臺(tái)設(shè)備；*卓越的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠芰Γ篫igBee具有星型、樹(shù)形和集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實(shí)際上具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，并且可以簡(jiǎn)單地覆蓋很廣的范圍。*有效范圍?。河行Ц采w范圍為10-75米，視實(shí)際傳輸功率和各種應(yīng)用模式而定，基本可以覆蓋普通家庭或辦公環(huán)境；*靈活的工作頻帶：使用的頻帶是2.4千兆赫(全球)、868兆赫(歐洲)和915兆赫(美國(guó))，這些都是未經(jīng)許可的頻帶。1.2 ZIGBEE關(guān)鍵組件1.2.1網(wǎng)絡(luò)射頻芯片射頻收發(fā)器是支持zigBee技術(shù)的平臺(tái)解決方案的一個(gè)組成部分。處理設(shè)備(如微控制器或數(shù)字信號(hào)處理器)必須集成IEEE802.15.4MAC和ZigBee軟件以形成一個(gè)完整的解決方案。以飛思卡爾ZigBee射頻芯片MC13192為例，介紹其原理和應(yīng)用。MC13192是一款I(lǐng)EEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)射頻收發(fā)器芯片，配有飛思卡爾提供的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。該芯片性能穩(wěn)定，功耗低。它采用低成本的CMOS設(shè)計(jì)，幾乎不需要外部元件。更重要的是，芯片和飛思卡爾的其他紫蜂產(chǎn)品可以結(jié)合在一起，建立一個(gè)飛思卡爾紫蜂就緒平臺(tái)。利用該平臺(tái)開(kāi)發(fā)ZigBee相關(guān)方面可以有效縮短工程師的開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。主要特點(diǎn)：MC13192具有以下特點(diǎn)：(1)它有16個(gè)通道；(2)典型發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達(dá)到3.6dBm；(3)采用DSSS擴(kuò)頻通信技術(shù)，最大速率為250Kbps；(4)當(dāng)誤包率為1%時(shí)，接收靈敏度達(dá)到-92分貝(典型值)；(5)七個(gè)通用輸入/輸出端口(GPIO)。整個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)由AAA電池供電。MC13192符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，其選擇的工作頻率為2.4052.480GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調(diào)試模式。這種功能豐富的雙向2.4千兆赫收發(fā)器有一個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可用于紫蜂技術(shù)應(yīng)用。它還具有優(yōu)化的數(shù)字內(nèi)核，有助于降低微控制器的處理能力，縮短執(zhí)行周期。內(nèi)部集成了四個(gè)時(shí)序比較器，使其能夠與性能更低、價(jià)格更低的微控制器配合使用，以降低成本，廣泛的中斷維護(hù)服務(wù)使微控制器編程更容易。芯片與單片機(jī)之間采用串行外設(shè)接口，為單片機(jī)選擇提供了更大的空間。芯片集成的連接質(zhì)量和功率檢測(cè)功能可以為組網(wǎng)和維護(hù)提供必要的數(shù)據(jù)。此外，該芯片具有以下特點(diǎn)：全頻譜編碼和解碼；經(jīng)濟(jì)高效的CMOS設(shè)計(jì)幾乎不需要外部元件?；鶐⒖刂破鞯目删幊虝r(shí)鐘；標(biāo)準(zhǔn)4線SPI(工作頻率為4兆赫或更高)；擴(kuò)展范圍性能(使用外部低噪聲放大器功率放大器)；可編程輸出功率，通常為0dB；超低功耗模式；7條GPIO線；該芯片采用2.7V電源，接收狀態(tài)功耗為37mA，發(fā)射狀態(tài)功耗為30mA，功耗非常低。QFN-32包裝，尺寸為5毫米和5毫米，是同類(lèi)產(chǎn)品中最小的。圖1內(nèi)部結(jié)構(gòu)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片主要由模擬收發(fā)部分、數(shù)字調(diào)制解調(diào)部分、片上頻率合成器、電源管理部分和單片機(jī)接口部分組成。從天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)兩次下變頻后，被轉(zhuǎn)換成兩個(gè)正交信號(hào)(輸入和輸出)。片內(nèi)集成CCA(自由信道評(píng)估)模塊根據(jù)接收基帶信號(hào)的能量執(zhí)行自由信道評(píng)估和檢測(cè)。前端的CCA和LNA(低噪聲放大器)都由自動(dòng)增益控制(自動(dòng)增益控制)控制。數(shù)字接收機(jī)經(jīng)過(guò)差分碼片檢測(cè)(DCD)后，通過(guò)相關(guān)器對(duì)直接序列擴(kuò)頻DSSS進(jìn)行解擴(kuò)，最后經(jīng)過(guò)符號(hào)同步檢測(cè)和分組處理得到接收數(shù)據(jù)。它通過(guò)串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。待傳輸?shù)?28字節(jié)信號(hào)由單片機(jī)通過(guò)串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)13192的傳輸緩沖區(qū)。頭幀和幀檢測(cè)序列由MC13192產(chǎn)生。根據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的每4位由32碼片擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻。擴(kuò)頻信號(hào)被發(fā)送到相位開(kāi)關(guān)調(diào)制器，通過(guò)直接上變頻以QPSK方式調(diào)制到載波，然后通過(guò)天線發(fā)送。該芯片還集成了頻率合成器、電源管理模塊、定時(shí)器、中斷確定器和用于接收和發(fā)送的存儲(chǔ)電路。圖2應(yīng)用電路圖2是應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的典型應(yīng)用電路。待傳輸?shù)男盘?hào)從單片機(jī)通過(guò)SPI端口傳輸?shù)組C13192，通過(guò)擴(kuò)頻QPSK調(diào)制到載波上，然后通過(guò)傳輸路徑從天線傳輸出去。來(lái)自天線的射頻信號(hào)通過(guò)接收通道傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)13192，經(jīng)解調(diào)和解擴(kuò)后得到原始數(shù)據(jù)，再通過(guò)串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。微控制器還控制接收和發(fā)送信道的切換。電路中的射頻信號(hào)采用差分輸入輸出方式。該天線使用與輸入和輸出匹配的平衡印刷線天線。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，可以用芯片天線代替印刷線天線。從天線接收到的射頻信號(hào)通過(guò)由L3和C12組成的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)和單刀雙擲開(kāi)關(guān)PG2120TK-E2傳輸?shù)阶儔浩鱖1，由Z1分解成兩個(gè)差分信號(hào)，傳輸?shù)叫酒膬蓚€(gè)射頻信號(hào)輸入引腳RIN_M和RIN_P。待發(fā)射的兩個(gè)射頻信號(hào)從芯片的兩個(gè)射頻信號(hào)輸出端PAO_P和PAO_M輸出，通過(guò)變壓器Z2合成一個(gè)信號(hào)，通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)PG2120TK-E2和由L3和C12組成的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)射到天線進(jìn)行發(fā)射。應(yīng)該注意的是，芯片的PAO和PAO引腳需要連接到芯片的VDDA，并且它們通過(guò)電路中的變壓器Z2連接?？紤]到晶振對(duì)通信質(zhì)量的影響，排版印刷電路板時(shí)，晶振應(yīng)盡可能靠近芯片的XTAL1和XTAL2引腳。電容器C5和C6的值應(yīng)該與晶體振蕩器負(fù)載電容一致。MC13192芯片規(guī)定的晶振頻率為16MHz，穩(wěn)定性應(yīng)在40ppm之間。芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO引腳是芯片內(nèi)部電源管理部分的輸出，用于向芯片的其他部分供電。在實(shí)際應(yīng)用中，這些輸出對(duì)旁路電容的要求相對(duì)較高。設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，旁路電容也應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的輸出引腳。該芯片通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的四線SPI接口與單片機(jī)相連，可以在8MHz或更低的頻率下工作，以滿足芯片的使用要求。該芯片可以通過(guò)CLK0引腳向單片機(jī)輸出時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘通過(guò)SPI接口編程，默認(rèn)值為32.768赫茲(16兆赫/488)。將芯片的引腳連接到微控制器的通用輸入輸出端口，可以使微控制器輕松控制芯片的工作模式。當(dāng)然，也可以通過(guò)額外的電路如開(kāi)關(guān)來(lái)擴(kuò)展操作模式的控制，以滿足實(shí)際需要。在本例中，微控制器通過(guò)GPIO端口連接到芯片的RXTXEN引腳，以初始化芯片的收發(fā)器操作。芯片還可以將此引腳設(shè)置為高電平，并通過(guò)SPI編程來(lái)初始化芯片的收發(fā)器操作。微控制器通過(guò)GPIO端口連接到芯片的引腳，以便在必要時(shí)復(fù)位芯片。1.2.2微控制器MCU選擇：MC13192芯片只是ZigBee技術(shù)平臺(tái)解決方案的一個(gè)組成部分。在具體實(shí)施中，必須根據(jù)實(shí)際需要選擇合適的加工設(shè)備。所選的處理設(shè)備必須集成IEEE802.15.