無線通信Zigbee的應(yīng)用與發(fā)展

1、 nZigbee是是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。通信技術(shù)。 n其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。數(shù)據(jù)速率、低成本。 n主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。各種設(shè)備。 n簡而言之，簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。4短程速率無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)v ZigBee

2、 和 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為 250K，與其他無線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對較近；v ZigBee 無線技術(shù)適合組建 WPAN 網(wǎng)絡(luò)，就是無線個人設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和控制 信號的傳輸是非常合適的。v ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用定位是低速率、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)、低功耗和低成本應(yīng)用。Zigbee： 名稱的由來？名稱的由來？Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag形舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的。可以說是一種小的動物通過簡捷的方式實現(xiàn)“無線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。Zig

3、Bee聯(lián)盟成立于2001年8月，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟的不僅僅只有當(dāng)初的四大公司，而是涵蓋了IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的150多家企業(yè)。n工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求越工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而藍(lán)牙技術(shù)對于這一領(lǐng)域顯然有一定的來越強烈，而藍(lán)牙技術(shù)對于這一領(lǐng)域顯然有一定的局限。局限。 n2002年年,zigbee Alliance成立。成立。 nZigbee協(xié)議在協(xié)議在2003年

4、正式問世。年正式問世。 n2004年年,zigbee V1.0誕生。誕生。n2006年年,推出推出zigbee 2006,比較完善。比較完善。 n2007年底年底,zigbee PRO推出。推出。 nZigBee堆棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，從下往上依次是物理層，MAC層，網(wǎng)絡(luò)/安全層，應(yīng)用支持子層，應(yīng)用層。 物理層物理層MAC層層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層安全層安全層應(yīng)用層應(yīng)用層應(yīng)用支持子層應(yīng)用支持子層ZigBee聯(lián)盟聯(lián)盟IEEE 802.15.4用戶用戶硬件實現(xiàn)硬件實現(xiàn)ZigBee平臺通信棧平臺通信棧應(yīng)用層應(yīng)用層物理層MAC層網(wǎng)絡(luò)/安全層支持/應(yīng)用層作用：作用：作用：作用：作用：作

5、用：作用：作用：物理層是協(xié)議的最底層，承付著和外界直接作用的任務(wù)。主要目的：控制RF收發(fā)器工作。負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收。建立新網(wǎng)絡(luò)，保證數(shù)據(jù)的傳輸。對數(shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。應(yīng)用支持層根據(jù)服務(wù)和需求使多個器件之間進行通信。應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。星狀星狀網(wǎng)狀型網(wǎng)狀型簇狀型簇狀型網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器全功能設(shè)備全功能設(shè)備(FFD,Router):(FFD,Router):可以支持可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進行通信任何一種設(shè)備進

6、行通信精簡功能設(shè)備精簡功能設(shè)備(RFD):(RFD):不能成為任何不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單信，實現(xiàn)簡單。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是3種設(shè)備類型中嘴復(fù)雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設(shè)備（全功能設(shè)備（FFD）：）：可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。精簡功能設(shè)備（精簡功能設(shè)備（RFD）：）：RFD只能傳送信息給FFD或從F

7、FD接收信息。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過多級跳的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組絡(luò)可以通過多級跳的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。通信可靠機制通信可靠機制ZigBee采用了采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測競爭和沖突；明晰的信道檢測MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，每

8、個發(fā)送的數(shù)據(jù)層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認(rèn)信息。包都必須等待接受方的確認(rèn)信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織自語能力強網(wǎng)絡(luò)的自組織自語能力強ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連結(jié)關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；知其他節(jié)點的存在，并確定連結(jié)關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，無需人工干預(yù)

9、，保證整個系統(tǒng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。仍然能正常工作。數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒-250KB/秒，專注于低傳輸應(yīng)用功耗低：功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6-24個月成本低：成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65000個設(shè)備時延短：時延短：典型搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強，通信可靠數(shù)據(jù)安全：數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，

10、采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個應(yīng)用可靈活確定其安全屬性工作頻段靈活：工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段26低功耗低功耗。在低耗電待機模式下,2 節(jié)5 號干電池可支持1個節(jié)點工作624個月,甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。低成本低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專

11、利費。每塊芯片的價格大約為2 美元。低速率低速率。Zigbee工作在20250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 近距離近距離。傳輸范圍一般介于10100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到13 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。27短時延。短時延。Zigbee 的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要310

12、s、WiFi 需要3 s。高容量。高容量。Zigbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理254 個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成65000 個節(jié)點的大網(wǎng)。高安全。高安全。Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國) 和868 MHz(歐洲) 。低功耗低功耗低成本低成本較低的報文

13、吞吐率較低的報文吞吐率需要支持大型網(wǎng)絡(luò)接點的數(shù)量級需要支持大型網(wǎng)絡(luò)接點的數(shù)量級對通信服務(wù)質(zhì)量對通信服務(wù)質(zhì)量QoS要求不高（甚至無要求不高（甚至無QoS）需要可選擇的安全等級（采用需要可選擇的安全等級（采用AES-128）加密加密發(fā)送鑒別發(fā)送鑒別報文的完整性報文的完整性需要多方面的較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用需要多方面的較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用要求高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自恢復(fù)能力要求高的網(wǎng)絡(luò)自組織、自恢復(fù)能力低速無線設(shè)備 TV VCR DVD CD 鼠標(biāo)鼠標(biāo) 鍵盤鍵盤 操作桿操作桿 保安保安 HVAC 照明照明 門禁門禁 玩具玩具 游戲器具游戲器具 監(jiān)視監(jiān)視 診斷診斷 傳感器傳感器 監(jiān)視監(jiān)視 傳感器傳感器

14、 自動化自動化控制控制工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費電子消費電子PC 機的機的外圍設(shè)備外圍設(shè)備家庭家庭自動化自動化玩具和游玩具和游戲戲個人健康監(jiān)護結(jié)合結(jié)合ZigBee和和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)基于基于ZigBee的油田油井遙測遙控?zé)o線通信的油田油井遙測遙控?zé)o線通信ZigBeeZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控汽油管線的腐蝕監(jiān)測汽油管線的腐蝕監(jiān)測潤滑油供應(yīng)鏈潤滑油供應(yīng)鏈汽油管線侵入者監(jiān)測汽油管線侵入者監(jiān)測液化天然氣容器跟蹤液化天然氣容器跟蹤ZigBeeZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用游船引擎

15、震動監(jiān)控游船引擎震動監(jiān)控油罐車駕駛員安全措施油罐車駕駛員安全措施化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理基于基于ZigBeeZigBee技術(shù)的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)ZigBeeZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案ZIGBEEZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)無線通信的交通信號控制系統(tǒng)- -交通路口控制通信交通路口控制通信ZIGBEEZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)無線通信的交通信號控制系統(tǒng)- -交通路口控制通信交通路口控制通信 ZigBee ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案智能交通控制系統(tǒng)無線

16、通信方案 VANETVANET基于基于ZigBeeZigBee技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)（技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)（智能電表智能電表）采用采用MESHMESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。每幢單元樓設(shè)置一個每幢單元樓設(shè)置一個ZigBeeZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點遠(yuǎn)端節(jié)點一個小區(qū)設(shè)置一個一個小區(qū)設(shè)置一個ZigBeeZigBee中心節(jié)點中心節(jié)點ZigBeeZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMAGPRS/CDMA或或ADSLADSL上傳到集抄中心上傳到集抄中心基于基于ZigBeeZigBee技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表

17、系統(tǒng)40Zigbee技術(shù)應(yīng)用技術(shù)應(yīng)用無線點餐系統(tǒng)v系 統(tǒng) 概 述n餐廳 ZigBee 無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，通過在餐廳、吧臺、廚房、收銀臺、處理中心部署的 ZigBeen節(jié)點設(shè)備構(gòu)成了完整的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了信息處理的自動化；n內(nèi)置無線 ZIGBEE 通信模塊的手持點餐終端，服務(wù)員通過手持的點餐終端處理顧客的點 單，用戶訂單通過終端和大廳內(nèi)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自動的上傳到廚房和收銀臺n無線通信系統(tǒng)的 ZIGBEE 中心節(jié)點、無線 ZIGBEE 路由和無線點餐終端，夠構(gòu)成一個 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個節(jié)點以多調(diào)方式實現(xiàn)通信。 其中任何一個 ZIGBEE 路由 器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)

18、；n所有的 ZIGBEE 路由器組成一個蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與 ZIGBEE 中心節(jié)點連接，中心節(jié) 點設(shè)置在總服務(wù)臺，構(gòu)建成一個完整的 ZIGBEE 無線網(wǎng)絡(luò)，是個通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。v系 統(tǒng) 應(yīng) 用n餐廳無線點餐系統(tǒng)n茶樓、咖啡館、網(wǎng)吧、KTV 娛樂場所呼叫系統(tǒng) 盡管ZigBee在出現(xiàn)伊始就以其低功耗，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網(wǎng)絡(luò)容量大，安全可靠以及低成本等一系列令業(yè)界歡欣鼓舞的面貌示人，然而這種主要用于室內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)卻并沒有太多的機會來讓其所具有的種種優(yōu)點物盡其用。不久前，市場調(diào)研公司In-Stat發(fā)布的一份報告就指出，目前，ZigBee的開發(fā)以大廈自動化設(shè)備、產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療及家庭自動化等領(lǐng)域為目標(biāo)。尤其在自動儀表領(lǐng)域，ZigBee擁有很高的關(guān)注度。In-Stat預(yù)測，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片組的合計供貨量到2011年將從06年的500萬個增至1億2,000萬個。但在家電市場，由于競爭技術(shù)較多，ZigBee得以普及的可