2023學(xué)年完整公開(kāi)課版ZIGBEE技術(shù) 劉念20160112

無(wú)線個(gè)域網(wǎng)ZIGBEE技術(shù)刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)目錄CONTENTS0102030405ZipBee技術(shù)概念ZipBee技術(shù)參數(shù)ZipBee技術(shù)特點(diǎn)ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZipBee技術(shù)應(yīng)用刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)01ZipBee技術(shù)概念1、ZipBee技術(shù)概念ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。這一名稱（又稱紫蜂協(xié)議）來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee聯(lián)盟是2002年創(chuàng)立的一個(gè)非盈利性組織，對(duì)每一個(gè)想加入的成員都開(kāi)放。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBee聯(lián)盟所開(kāi)發(fā)的，該聯(lián)盟有數(shù)百個(gè)成員公司，從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和軟件開(kāi)發(fā)者到原始設(shè)備生產(chǎn)商、安裝商。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其PHY層和MAC層協(xié)議。因此，遵循ZigBee的設(shè)備也同樣遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。在家庭和工廠內(nèi)使用無(wú)線通信來(lái)收集信息或執(zhí)行既定控制任務(wù)的概念對(duì)人們來(lái)說(shuō)并不陌生?？v觀幾種短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE802.11

無(wú)線局域網(wǎng)（WirelessLocalAreaNetworkWLAN）和藍(lán)牙（Bluetooth）.每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有其在特定領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，而ZigBee則主要是為低成本、低數(shù)據(jù)速率、超低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的。通過(guò)簡(jiǎn)化通信協(xié)議和降低數(shù)據(jù)速率，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有助于降低應(yīng)用成本。和其他的標(biāo)準(zhǔn)例如IEEE802.11相比，滿足ZigBee和IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的最低需求相對(duì)輕松，這同時(shí)也降低了ZigBee收發(fā)器的應(yīng)用復(fù)雜度和成本。占空比是指設(shè)備活躍時(shí)的時(shí)間與總時(shí)間的比值。例如，若一個(gè)設(shè)備每分鐘喚醒一次，工作60ms后繼續(xù)休眠。那么它的占空比為0.001或0.1%。在許多ZigBee應(yīng)用中，為了保證電池能工作數(shù)年以上，設(shè)備的占空比都在1%以下。刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)02ZipBee技術(shù)參數(shù)2、ZipBee技術(shù)參數(shù)ZigBee作為一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，屬于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PersonalAreaNetwork，PAN）的范疇，有別于GSM、GPRS等廣域無(wú)線通信技術(shù)和IEEE802.11a、IEEE802.11b等無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)，參數(shù)及性能比較見(jiàn)下表。刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)WIFIZigbee電力載波Bluetooth傳輸距離100-300M50-300M500M10-100M傳輸速率300Mbps250kbps500Mbps1Mbps功耗10-50mA5mA

zigbee和WIFI之間特點(diǎn)應(yīng)用最廣可自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)65000個(gè)。可基于電力線傳輸，無(wú)需布線。

03ZipBee技術(shù)特點(diǎn)3、ZipBee技術(shù)特點(diǎn)Zigbee是一種嶄新的,專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。也是嵌入式應(yīng)用的一個(gè)大熱點(diǎn)。1、低功耗在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。2、低成本通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。3、低速率Zigbee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。4、近距離傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1~3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。5、短時(shí)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15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3~10s、WiFi需要3s。6、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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。7、高安全Zigbee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。8、免執(zhí)照頻段采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球)(ISM)頻段。刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)04ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4、ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來(lái)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

1、星形拓?fù)涫亲詈?jiǎn)單的一種拓?fù)湫问剑粋€(gè)Co-ordinator（協(xié)調(diào)者）節(jié)點(diǎn)和一系列的EndDevice（終端）節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End

Device節(jié)點(diǎn)只能和Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。如果需要在兩個(gè)EndDevice節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通訊必須通過(guò)Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的轉(zhuǎn)發(fā)。這種拓?fù)湫问降娜秉c(diǎn)是節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)路由只有唯一的一個(gè)路徑。Co-ordinator（協(xié)調(diào)者）有可能成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。實(shí)現(xiàn)星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳恍枰褂肸igBee的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，因?yàn)楸旧鞩EEE802.15.4的協(xié)議層就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了星形拓?fù)湫问剑沁@需要開(kāi)發(fā)者在應(yīng)用層作更多的工作，包括自己處理信息的轉(zhuǎn)發(fā)。刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)04ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4、ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2、樹(shù)形拓?fù)浒ㄒ粋€(gè)Co-ordinator（協(xié)調(diào)者）以及一系列的Router（路由器）和EndDevice（終端）節(jié)點(diǎn)。Co-ordinator連接一系列的Router和EndDevice,他的子節(jié)點(diǎn)的Router也可以連接一系列的Router和EndDevice.這樣可以重復(fù)多個(gè)層級(jí)。需要注意的是：

Co-ordinator和Router節(jié)點(diǎn)可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)。

EndDevice不能有自己的子節(jié)點(diǎn)。

有同一個(gè)父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為兄弟節(jié)點(diǎn)

有同一個(gè)祖父節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)之間稱為堂兄弟節(jié)點(diǎn)

樹(shù)形拓?fù)渲械耐ㄓ嵰?guī)則：

每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊。

如果需要從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，那么信息將沿著樹(shù)的路徑向上傳遞到最近的祖先節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

這種拓?fù)浞绞降娜秉c(diǎn)就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由協(xié)議棧層處理的，整個(gè)的路由過(guò)程對(duì)于應(yīng)用層是完全透明的。刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)04ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4、ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3、Mesh拓?fù)?網(wǎng)狀拓?fù)?包含一個(gè)Co-ordinator和一系列的Router和End

Device。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问胶蜆?shù)形拓?fù)湎嗤?；?qǐng)參考上面所提到的樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹５?，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接的通訊。這種路由機(jī)制使得信息的通訊變得更有效率，而且意味這一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)了問(wèn)題，信息可以自動(dòng)的沿著其他的路由路徑進(jìn)行傳輸。通常在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)上，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)提供相應(yīng)的路由探索功能，這一特性使得網(wǎng)絡(luò)層可以找到信息傳輸?shù)淖顑?yōu)化的路徑。需要注意的是，以上所提到的特性都是由網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用層不需要進(jìn)行任何的參與。

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)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；

刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)04ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4、ZipBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)刑事執(zhí)行專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)ZigBee終端ZigBee路由器ZigBee協(xié)調(diào)器星形結(jié)構(gòu)樹(shù)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)形結(jié)構(gòu)05ZipBee技術(shù)應(yīng)用5、ZipBee技術(shù)應(yīng)用ZigBee應(yīng)用于室內(nèi)病人監(jiān)控例如，一個(gè)病人的血壓，心率可以通過(guò)可穿戴設(shè)備測(cè)量出來(lái)，病人戴的ZigBee設(shè)備來(lái)周期性的收集血壓等健康相關(guān)的信息，然后這些數(shù)據(jù)被無(wú)線傳送到當(dāng)?shù)胤?wù)器，例如病人家中的一臺(tái)個(gè)人電腦，電腦再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行初始分析，最后重要的信息通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)被發(fā)送到