Zigbee技術(shù)介紹

1、1 1ZigbeeZigbee無線通信技術(shù)無線通信技術(shù) 一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介 二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析 三、三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍技術(shù)應(yīng)用范圍 四、小結(jié)四、小結(jié)2一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介一、一、Zigbee起源什么技術(shù)？起源什么技術(shù)？ 在藍牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對工業(yè)，家庭自動化控制和工業(yè)遙測遙控領(lǐng)域而言，藍牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，而工業(yè)自動化，對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而且，對于工業(yè)現(xiàn)場，這種無線數(shù)據(jù)傳輸必需是高可靠的，并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場的各種電磁干

2、擾。因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年中正式問世了。3一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介實驗證明實驗證明 IEEE 802.15.4/ZigBee 的誤碼率，特別是在信噪比為的誤碼率，特別是在信噪比為 4dB 的情況下可達到的情況下可達到 10 -9 ； 達到同樣誤碼率，藍牙達到同樣誤碼率，藍牙/ 802.15.1 信噪比要達信噪比要達 16dB，802.11b 要達要達 10dB，Zigbee 的抗干擾性能的抗干擾性能明顯高于藍牙和明顯高于藍牙和 WLAN 技術(shù)技術(shù)。 4一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介二、什么是二、什么是Zigbee？ ZigBee是IEEE802.

3、15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位和遠近信息的，也就是說蜜蜂依靠著這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信“網(wǎng)絡(luò)”，因此ZigBee的發(fā)明者們形象地利用蜜蜂的這種行為來描述這種無線信息傳輸技術(shù)。 5一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介三、三、Zigbee協(xié)議的發(fā)展歷史協(xié)議的發(fā)展歷史1.ZigBee的前身是的前身是1998年由年由INTEL、IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的等

4、產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”技術(shù)技術(shù)2. 2000年年12月成立了工作小組起草月成立了工作小組起草IEEE 802.15.4標準標準, Zigbee聯(lián)盟成立于聯(lián)盟成立于2001年年8月月3.2002年下半年，英國年下半年，英國Invensys公司、日本三菱公司、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)電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟體公司四大巨頭共同宣布加盟“Zigbee聯(lián)盟聯(lián)盟”，以研發(fā)名為以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標準，這的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里

5、程碑。4.2004年年12月月ZigBee1.0標準標準(又稱為又稱為ZigBee2004)敲定，這使得敲定，這使得ZigBee有了自己的發(fā)展基本標準有了自己的發(fā)展基本標準。6一、一、Zigbee技術(shù)簡介技術(shù)簡介三、三、Zigbee協(xié)議的發(fā)展歷史協(xié)議的發(fā)展歷史5.2005年年9月公布月公布ZigBee1.0標準并提供下載。在這一年標準并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和里，華為技術(shù)有限公司和IBM公司加入了公司加入了ZigBee聯(lián)盟。聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。6.2006年年12月進行標準修訂，推出月進行標準修訂

6、，推出ZigBee1.1版版(又又稱為稱為ZigBee2006)。該協(xié)議雖然命名為。該協(xié)議雖然命名為ZigBee1.1，但是與但是與ZigBee1.0版是不兼容的。版是不兼容的。7.2007年年10月完成再次修訂月完成再次修訂(稱為稱為ZigBee2007/PRO)。能夠。能夠兼容之前的兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了版本，并且加入了ZibgeePRO部分部分，此時，此時ZigBee聯(lián)盟更加專注于以下三個方面：聯(lián)盟更加專注于以下三個方面： 1)、家庭自動化、家庭自動化(Home Automation；HA)； 2)、建筑、建筑/商業(yè)大樓自動化商業(yè)大樓自動化(Building Au

7、tomation；BA)； 3)、先進抄表基礎(chǔ)建設(shè)、先進抄表基礎(chǔ)建設(shè)(Advanced Meter Infrastructure；AMI)；7二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析一、一、ZigBee 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率二、二、Zigbee 物理信道物理信道三、無線網(wǎng)絡(luò)標準的比較三、無線網(wǎng)絡(luò)標準的比較四、四、zigbee 技術(shù)優(yōu)勢技術(shù)優(yōu)勢五、五、Zigbee 協(xié)議棧協(xié)議棧六、六、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)七、七、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址八、八、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型九、九、Zigbee 抗干擾能力抗干擾能力十、十、ZigBee

8、可靠鏈路可靠鏈路8二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析一、一、ZigBee 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率ZigBee 無線可使用的頻段有無線可使用的頻段有 3 個，分別是個，分別是 2.4GHz 的的 ISM 頻頻段、歐洲的段、歐洲的 868MHz 頻頻 段、以及美國的段、以及美國的 915MHz 頻段，而不頻段，而不同頻段可使用的信道分別是同頻段可使用的信道分別是 16 、 1 、 10 個；個；ZigBee 在中國采用在中國采用 2.4G 的的 ISM 頻段，是免申請和免使用費頻段，是免申請和免使用費的頻率，在的頻率，在 2.4G 的頻段上的頻段上 具有具有 16

9、個信道，帶寬為個信道，帶寬為 250K。 9二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析二、二、Zigbee 物理信道物理信道ZigBee 在在 2.4G 的頻段上具有的頻段上具有 16 個信道，從個信道，從 2.405GHz 2.480GHz 間分布，信道間隔間分布，信道間隔 是是 5M，具有很強的信道抗串擾能力。具有很強的信道抗串擾能力。 10二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析三、無線網(wǎng)絡(luò)標準的比較三、無線網(wǎng)絡(luò)標準的比較11二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析四、四、zigbee 技術(shù)優(yōu)勢技術(shù)優(yōu)勢低功耗低功耗。在低耗電待機模式下。在低耗

10、電待機模式下,2 節(jié)節(jié)5 號干電池可支持號干電池可支持1個個節(jié)點工作節(jié)點工作624個月個月,甚至更長。這是甚至更長。這是Zigbee的突出優(yōu)勢。相比的突出優(yōu)勢。相比較較,藍牙能工作數(shù)周、藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時?？晒ぷ鲾?shù)小時。低成本低成本。通過大幅簡化協(xié)議。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的不到藍牙的1/10) ,降低了對降低了對通信控制器的要求通信控制器的要求,按預(yù)測分析按預(yù)測分析,以以8051的的8位微控制器位微控制器(MCU)測測算算, 主節(jié)點需要主節(jié)點需要32KB代碼代碼,子節(jié)點少至子節(jié)點少至4KB代碼代碼,而且而且Zigbee免協(xié)免協(xié)議專利費。議專利費。每塊芯片的價格大約為每塊

11、芯片的價格大約為2 美元美元。低速率低速率。Zigbee工作在工作在20250 kbps的較低速率的較低速率,分別提分別提供供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。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。傳輸范圍一般介于10100 m 之間之間,在增加在增加RF 發(fā)射功率后發(fā)射功率后,亦可增加到亦可增加到13 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。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

12、。傳輸距離將可以更遠。12二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析短時延短時延。Zigbee 的響應(yīng)速度較快的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需態(tài)只需15 ms ,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能進一步節(jié)省了電能。相比較。相比較,藍牙需要藍牙需要310 s、WiFi 需要需要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)可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理最多一個主節(jié)點可管理254 個子節(jié)點個子節(jié)點;同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)

13、節(jié)點管理同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理,最多可組成最多可組成65000 個節(jié)個節(jié)點的大網(wǎng)。點的大網(wǎng)。免執(zhí)照頻段免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻頻段段,2. 4 GHz (全球全球) 、915 MHz(美國美國) 和和868 MHz(歐洲歐洲) 。Industrial Scientific Medical (ISM)13二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析五、五、Zigbee 協(xié)議棧協(xié)議棧（1）TI公司開發(fā)的公司開發(fā)的Z-Stack是是ZigBee協(xié)議棧，并且經(jīng)過了協(xié)議棧，并且經(jīng)過了ZigBee聯(lián)盟的認可而為全球眾

14、多開發(fā)商所廣泛采用聯(lián)盟的認可而為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用（2）TI公司的公司的Z-Stack協(xié)議棧裝載在一個基于協(xié)議棧裝載在一個基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程開發(fā)環(huán)境的工程里里（3）Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用，采用事件輪循機制事件輪循機制，當，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式；如果統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式；如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件，同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件，這

15、種軟件構(gòu)這種軟件構(gòu)架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。架可以極大地降低系統(tǒng)的功耗。14二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析五、五、Zigbee 協(xié)議棧協(xié)議棧（4）整個）整個Z-Stack采用采用分層分層的軟件結(jié)構(gòu)：的軟件結(jié)構(gòu)：硬件抽象層硬件抽象層（HAL）提供）提供各種硬件模塊的驅(qū)動，包括定時器各種硬件模塊的驅(qū)動，包括定時器Timer，通用，通用I/O口口GPIO，通，通用異步收發(fā)傳輸器用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴展集提供各種服務(wù)的擴展集; 操作系統(tǒng)抽象層操作系統(tǒng)抽象層OSAL實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通

16、過實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通過時時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機制多任務(wù)處理機制。用戶可以調(diào)。用戶可以調(diào)用用OSAL提供的相關(guān)提供的相關(guān)API進行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作進行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個獨立的任務(wù)來實現(xiàn)為一個獨立的任務(wù)來實現(xiàn).（5）整個）整個Z-stack的主要工作流程，大致分為的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，化，OSAL初始化和啟動，進入任務(wù)輪循初始化和啟動，進入任務(wù)輪循幾個階段幾個階段15二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析五、五、Zigbee 協(xié)議棧協(xié)議棧Z-

17、stack流程圖流程圖16二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析五、五、Zigbee 協(xié)議棧協(xié)議棧OSAL是協(xié)議棧的核心是協(xié)議棧的核心Z-stack的任何一個子系統(tǒng)都作的任何一個子系統(tǒng)都作為為OSAL的一個任務(wù)，因此在開的一個任務(wù)，因此在開發(fā)發(fā)應(yīng)用層應(yīng)用層的時候，必須通過創(chuàng)建的時候，必須通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運行應(yīng)用程序任務(wù)來運行應(yīng)用程序任何任何OSAL任務(wù)必須分為兩步：任務(wù)必須分為兩步：一是進行任務(wù)初始化一是進行任務(wù)初始化二是處理任務(wù)事件二是處理任務(wù)事件17二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析ZigBee聯(lián)盟提供了聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(

18、APL)框架的設(shè)計。其中應(yīng)用層的框架框架的設(shè)計。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)和由制造商制訂的應(yīng)用對象用對象IEEE802.15.4標準定義了最下面的兩層：標準定義了最下面的兩層：物理層物理層(PHY physical layer)和和介質(zhì)接入控制子層介質(zhì)接入控制子層(MAC medium access control)。ZigBee的協(xié)議模型的協(xié)議模型物理層物理層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)Z

19、igBee平臺通信棧平臺通信棧應(yīng)用層應(yīng)用層實現(xiàn)“0”，“1”的傳輸。即數(shù)據(jù)鏈路層：解決無線資源的競爭問題;設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束。路由，保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的點到點的數(shù)據(jù)傳輸。對數(shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。19二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析六、六、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee 技術(shù)具有強大的組網(wǎng)技術(shù)具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成能力，可以形成星型、樹型星型、樹型和和 MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，

20、網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過可以通過“多級跳多級跳”的方式的方式來通信；來通信； 該拓撲結(jié)構(gòu)還可以該拓撲結(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備還具備自組織、自愈功能自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點多星型和族樹型網(wǎng)絡(luò)適合點多多點、距離相對較近的應(yīng)用多點、距離相對較近的應(yīng)用。星型星型MeshMesh網(wǎng)狀網(wǎng)網(wǎng)狀網(wǎng)簇狀網(wǎng)簇狀網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器器全功能設(shè)備全功能設(shè)備 （FFD FFD ，RouterRouter）精簡功能設(shè)備精簡功能設(shè)備（ RFD RFD ） 20二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析通信可靠機制通信可靠機制ZigBee 采用

21、了 CSMA-CA 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)使得競爭和沖突；明晰的信道檢測；MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認信 息。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強ZigBee 的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在， 并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee 自愈功能：增加或刪除一個節(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)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干 預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。21二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和

22、性能分析七、七、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址 1個是個是64位的位的IEEE地址地址，通常也叫作，通常也叫作MAC地址或者擴展地址地址或者擴展地址（Extended address），另一個是），另一個是16位的網(wǎng)絡(luò)地址位的網(wǎng)絡(luò)地址，也叫做邏，也叫做邏輯地址（輯地址（Logical address）或者短地址）或者短地址 64位長地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備。這個地址位長地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備。這個地址可由制造商設(shè)定或者在安裝的時候設(shè)置，是由可由制造商設(shè)定或者在安裝的時候設(shè)置，是由IEEE來提供來提供 當設(shè)備加入當設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)被分配一個短地址，在其所

23、在的網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)被分配一個短地址，在其所在的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。這個地址主要用來在網(wǎng)絡(luò)中辨識設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)是唯一的。這個地址主要用來在網(wǎng)絡(luò)中辨識設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由等據(jù)包路由等 一個節(jié)點是一個設(shè)備，有一個射頻端，一個一個節(jié)點是一個設(shè)備，有一個射頻端，一個64位位IEEE地址，一地址，一個個16位網(wǎng)絡(luò)地址位網(wǎng)絡(luò)地址22二、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析技術(shù)特性和性能分析八、八、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器：（1）上電啟動和配置網(wǎng)絡(luò)（例如設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標示符，選擇信道），一旦完成后相當于路由器功能。（2）每各ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須有一個.ZigBee 路由器路由器(ZR router) (1)允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入 (2)多跳路由 (3)協(xié)助電池供電的子節(jié)點通信 (4)自己作為終端節(jié)點應(yīng)用Z