《物聯(lián)網(wǎng)工程導論》課件第六章

目錄6.26.36.56.1傳感器概述傳感器技術(shù)原理傳感器的特征參數(shù)

常見傳感器及應用6.4傳感器網(wǎng)絡Zigbee6.6組建Zigbee網(wǎng)絡6.1傳感器概述6.1傳感器概述

人們?yōu)榱藦耐饨绔@取信息，必須借助于感覺器官。而單靠人們自身的感覺器官，在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律以及生產(chǎn)活動中它們的功能就遠遠不夠。為適應這種情況，就需要傳感器。新技術(shù)革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段。傳感器（sensor）是一種檢測裝置，能感受到被測量物品的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚱渌栊问降男畔⑤敵?，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。6.1傳感器概述

傳感器輸出電量有很多種形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，傳感器組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。

敏感元件是指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號的部分。6.1傳感器概述傳感器輸出的信號一般都很微弱，所以需要有信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路進行放大、運算調(diào)制等，此外信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及傳感器的工作必須有輔助的電源，因此信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應作為傳感器組成的一部分。隨著IC發(fā)展，傳感器的信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路與敏感元件通常會集成在同一芯片上，安裝在傳感器的殼體里。6.2傳感器技術(shù)原理6.2.1應變式傳感器

應變式應變式傳感器是基于測量物體受力變形所產(chǎn)生的變化的一種傳感器。電阻應變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機械構(gòu)件上的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。電阻應變片的基本構(gòu)造如下圖所示。一般由敏感柵、基底、引線、蓋片等組成。

根據(jù)傳感器工作原理我們可以分為應變式、電容式、光電式、壓電式、磁電式等。6.2.1應變式傳感器敏感柵實際上是一個電阻元件，是電阻應變片感受構(gòu)件應變的敏感部分。敏感柵由粘合劑將其固定在基底上。

基底的作用應保證將構(gòu)件上應變準確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須作得很薄，一般為0.03-0.06mm，使它能與試件及敏感柵牢固地粘結(jié)在一起。另外它還應有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等。常見的應變式傳感器如下圖所示。6.2.2電容式傳感器

電容式電容式傳感器以各種類型的電容器作為敏感元件，將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，再由轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率，以達到檢測的目的?；緲?gòu)造如下圖所示。電容式傳感器廣泛用于位移、角度、振動、速度、壓力、成分分析、介質(zhì)特性等方面的測量。最常用的是平行板型電容器或圓筒型電容器。6.2.2電容式傳感器電容式傳感器的電容檢測元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進行工作的，電容器由兩個絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極和外電極組成，在兩筒之間充以介電常數(shù)為ε的電解質(zhì)時，兩圓筒間的電容量為：式中，L為兩筒相互重合部分的長度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的電介常數(shù)。

在實際測量中D、d、e是不變的，故測得C即可知道液位的高低。6.2.2電容式傳感器電容式傳感器基本工作原理：電容式傳感器是以各種類型的電容器作為傳感元件，由于被測量變化將導致電容器電容量變化，通過測量電路，可把電容量的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。測知電信號的大小，由此可判斷被測量的大小。常見的電容傳感器的應用有電容式位移傳感器、電容式物位傳感器、電容式指紋傳感器等，如下圖所示。6.2.2電容式傳感器電容傳感器的優(yōu)點如下。（1）溫度穩(wěn)定性好電容式傳感器的電容值一般與電極材料無關(guān)，這有利于選擇溫度系數(shù)低的材料。（2）結(jié)構(gòu)簡單（3）動態(tài)響應好電容式傳感器由于帶電極板間的靜電引力很小，需要的作用能量極小，質(zhì)量很輕，因此其固有頻率很高，動態(tài)響應時間短，能在幾兆赫茲的頻率下工作，特別適用于動態(tài)測量。6.2.2電容式傳感器（4）可以非接觸測量且靈敏度高電容式傳感器可非接觸測量回轉(zhuǎn)軸的振動或偏心率、小型滾珠軸承的徑向間隙等。當采用非接觸測量時，電容式傳感器具有平均效應，可以減小工件表面粗糙度等對測量的影響。6.2.3光電式傳感器

光電式光電式傳感器是基于光電效應的傳感器，在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。優(yōu)點：光電式在測量時不與被測對象直接接觸，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。

缺點：在某些應用方面，光學器件和電子器件價格較貴，并且對測量的環(huán)境條件要求較高。6.2.3光電式傳感器光電式傳感器要將光信號轉(zhuǎn)化成電信號，必須經(jīng)過兩個步驟：先將非電量的變化轉(zhuǎn)化成光量的變化；通過光電器件的作用，將光量的變化轉(zhuǎn)化成電量的變化，這樣就實現(xiàn)了非電量的變化。如下圖所示。下面是常見的光電器件：6.2.4壓電式傳感器

壓電式壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器，它以某些電介質(zhì)的壓電效應為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。

壓電式傳感器的敏感元件由壓電材料制成。壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷，此電荷經(jīng)電荷放大器和測量電路放大和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。優(yōu)點：頻帶寬、靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠和重量輕等。

缺點：某些壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷。6.2.4壓電式傳感器壓電式傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。壓電式傳感器具有著體積小、質(zhì)量小，頻響高、信噪比大等特點。因此在工程力學、生物醫(yī)學、石油勘探、聲波測井、電聲學等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應用。6.2.5磁電式傳感器

磁電式磁電感應式傳感器是利用電磁感應原理將被測量如振動、位移、轉(zhuǎn)速等轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。它是一種機—電能量變換型傳感器，利用導體和磁場發(fā)生相對運動而在導體兩端輸出感應電動勢，其不需要供應電源，電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小，又具有一定的頻率響應范圍等優(yōu)點，所以有著廣泛的應用，例如用來轉(zhuǎn)速測量、振動測量以及扭矩測量等。6.2.5磁電式傳感器結(jié)構(gòu)原理如下圖所示：磁電感應式傳感器由兩個基本元件組成：一個是產(chǎn)生恒定直流磁場的磁路系統(tǒng)，為了減小傳感器體積，一般采用永久磁鐵；另一個是線圈，由它與磁場中的磁通交鏈產(chǎn)生感應電動勢。

感應電動勢與磁通變化率或者線圈與磁場相對運動速度成正比，因此必須使它們之間有一個相對運動。作為運動部件，可以是線圈，也可以是永久磁鐵。所以，必須合理地選擇它們的結(jié)構(gòu)形式、材料和結(jié)構(gòu)尺寸，以滿足傳感器的基本性能要求。6.2.6霍爾式傳感器

霍爾式霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應于1879年在研究金屬的導電機構(gòu)時發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導體、導電流體等也有這種效應，而半導體的霍爾效應比金屬強得多，于是就利用這現(xiàn)象制成了各種霍爾元件，廣泛地應用于工業(yè)自動化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。優(yōu)點：霍爾元件具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應用。通過霍爾效應實驗測定的霍爾系數(shù)，能夠判斷半導體材料的導電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)。6.2.6霍爾式傳感器霍爾效應從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力作用引起的偏轉(zhuǎn)。當帶電粒子被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負電荷的聚積，從而形成附加的橫向電場。

對于下圖中的半導體試樣，若在ab方向通以電流Is，在垂直方向加磁場B，則在垂直于電流和磁場方向的cd方向就開始聚積電荷而產(chǎn)生相應的附加電場。電場的指向決定于測試樣品的電場類型。6.2.7智能傳感器

智能傳感器智能傳感器是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理機，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物。與一般傳感器相比，智能傳感器通過軟件技術(shù)可實現(xiàn)高精度的信息采集，而且成本低；具有一定的編程自動化能力。智能傳感器能將檢測到的各種物理量儲存起來，并按照指令處理這些數(shù)據(jù)，從而創(chuàng)造出新數(shù)據(jù)，智能傳感器之間也能夠進行信息交流，并能自我決定應該傳送的數(shù)據(jù)，舍棄異常數(shù)據(jù)，完成分析和統(tǒng)計計算等。6.2.7智能傳感器智能式傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示。智能傳感器具有以下功能：（1）信息存儲和傳輸（2）自補償和計算功能（3）自檢、自校、自診斷功能（4）復合敏感功能（5）智能傳感器的集成化6.3傳感器的特性參數(shù)6.3.1傳感器的靜態(tài)特性傳感器的基本特性主要分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。

傳感器的靜態(tài)特性傳感器的靜態(tài)特性是指對靜態(tài)的輸入信號、傳感器的輸出量與輸入量之間所具有相互關(guān)系。因為這時輸入量和輸出量都和時間無關(guān)，所以它們之間的關(guān)系可以用一個不含時間變量的代數(shù)方程，或以輸入量作橫坐標，把與其對應的輸出量作縱坐標而畫出的特性曲線來描述。傳感器靜態(tài)特性的主要參數(shù)有：線性度、靈敏度、遲滯、重復性、漂移等。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性

傳感器的靜態(tài)特性1.線性度線性度指傳感器輸出量與輸入量之間的實際關(guān)系曲線偏離擬合直線的程度。即在全量程范圍內(nèi)實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比。如下圖所示。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性2.靈敏度靈敏度是傳感器靜態(tài)特性的一個重要指標。其定義為輸出量的增量Δy與引起該增量的相應輸入量增量Δx之比。它表示單位輸入量的變化所引起傳感器輸出量的變化，顯然，靈敏度S值越大，表示傳感器越靈敏。如下圖所示。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性3.遲滯傳感器在輸入量由小到大(正行程)及輸入量由大到小(反行程)變化期間其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象稱為遲滯。也就是說，對于同一大小的輸入信號，傳感器的正反行程輸出信號大小不相等，這個差值稱為遲滯差值。如下圖所示。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性4.重復性重復性是指傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變化時，所得特性曲線不一致的程度，如下圖所示。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性5.漂移傳感器的漂移是指在輸入量不變的情況下，傳感器輸出量隨著時間變化，此現(xiàn)象稱為漂移。產(chǎn)生漂移的原因有兩個方面：一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)；二是周圍環(huán)境。6.測量范圍傳感器所能測量到的最小輸入量與最大輸入量之間的范圍稱為傳感器的測量范圍。7.量程

傳感器測量范圍的上限值與下限值的代數(shù)差，稱為量程。6.3.1傳感器的靜態(tài)特性8.精度

傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，是測量中各類誤差的綜合反映，測量誤差越小，傳感器的精度越高。9.分辨率

傳感器能檢測到輸入量最小變化量的能力稱為分辨力。對于某些傳感器，如電位器式傳感器，當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只做階梯變化，則分辨力就是輸出量的每個“階梯”所代表的輸入量的大小。10.閾值

閾值是指能使傳感器的輸出端產(chǎn)生可測變化量的最小被測輸入量值，即零點附近的分辨力。

6.3.1傳感器的靜態(tài)特性11.穩(wěn)定性

穩(wěn)定性表示傳感器在一個較長的時間內(nèi)保持其性能參數(shù)的能力。理想的情況是不論什么時候，傳感器的特性參數(shù)都不隨時間變化。但實際上，隨著時間的推移，大多數(shù)傳感器的特性會發(fā)生改變。這是因為敏感元件或構(gòu)成傳感器的部件，其特性會隨時間發(fā)生變化，從而影響了傳感器的穩(wěn)定性。6.3.2傳感器的動態(tài)特性

傳感器的動態(tài)特性傳感器的動態(tài)特性是指輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性。由于傳感器具有慣性和滯后性，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出往往來不及達到平衡狀態(tài)，處于動態(tài)過渡過程之中，所以傳感器的輸出量也是關(guān)于時間的函數(shù)，其間的關(guān)系要用動態(tài)特性來表示。傳感器的動態(tài)特性不僅與傳感器的“固有因素”有關(guān)，還與傳感器輸入量的變化形式有關(guān)。也就是說，同一個傳感器在不同形式的輸入信號作用下，輸出量的變化也是不同的，通常選用幾種典型的輸入信號作為標準輸入信號，研究傳感器的響應特性。有瞬態(tài)響應特性、頻率響應特性。6.3.2傳感器的動態(tài)特性（1）瞬態(tài)響應特性傳感器的瞬態(tài)響應是時間響應。在研究傳感器的動態(tài)特性時，有時需要從時域中對傳感器的響應和過渡過程進行分析，這種分析方法稱為時域分析法。（2）頻率響應特性傳感器對不同頻率成分的正弦輸入信號的響應特性，稱為頻率響應特性。一個傳感器輸入端有正弦信號作用時，其輸出響應仍然是同頻率的正弦信號，只是與輸入端正弦信號的幅值和相位不同。頻率響應法是從傳感器的頻率特性出發(fā)研究傳感器的輸出與輸入的幅值比和兩者相位差的變化。6.4常見傳感器及應用6.4.1常見傳感器按照原理分類包括電學式傳感器和磁學式傳感器。

電學式傳感器是非電量電測技術(shù)中應用范圍較廣的一種傳感器，常用的有電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器及電渦流式傳感器等；

磁學式傳感器是利用鐵磁物質(zhì)的一些物理效應而制成的，主要用于位移、轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的測量。根據(jù)被測對象進行劃分，常見的有溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器。6.4.1常見傳感器1.溫度傳感器溫度傳感器是一種能夠?qū)囟茸兓D(zhuǎn)換為電信號的裝置。它是利用某些材料或元件的性能隨溫度變化的特性進行測溫的，如將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻、熱電動勢、磁導率變化以及熱膨脹的變化等，然后再通過測量電路來達到檢測溫度的目的。下圖是常用的溫度傳感器。6.4.1常見傳感器2.濕敏傳感器濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過器件材料的物理或化學性質(zhì)變化，將濕度轉(zhuǎn)化成電信號的器件。濕度檢測較之其他物理量的檢測顯得困難，這首先是因為空氣中水蒸氣含量要比空氣少得多；另外，液態(tài)水會使一些高分子材料和電解質(zhì)材料溶解，一部分水分子電離后與溶入水中的空氣中的雜質(zhì)結(jié)合成酸或堿，使?jié)衩舨牧喜煌潭鹊厥艿礁g并加速老化，從而喪失其原有的性質(zhì)。6.4.1常見傳感器3.CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器也稱為電荷耦合元件CCD。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素，一塊CCD上包含的像素量越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD的作用就像膠片一樣，但它是把光信號轉(zhuǎn)換成電荷信號，CCD上有許多排列整齊的光電二極管，能感應光線，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，經(jīng)外部采樣放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號。6.4.1常見傳感器4.氣敏傳感器氣敏傳感器是用來檢測氣體濃度和成分的傳感器，它對于環(huán)境保護和安全監(jiān)督方面起著極其重要的作用。氣敏傳感器將氣體種類及其與濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，根據(jù)這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環(huán)境中的存在情況有關(guān)的信息，從而可以進行檢測、監(jiān)控、報警；還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統(tǒng)。氣敏傳感器的應用主要有：一氧化碳氣體的檢測、瓦斯氣體的檢測、煤氣的檢測、氟利昂（R11、R12）的檢測、呼氣中乙醇的檢測、人體口腔口臭的檢測等。6.4.1常見傳感器5.壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器。通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制成的，這樣的傳感器稱為壓電傳感器。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點，在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經(jīng)得到了廣泛的應用，下面是常用傳感器圖所示。6.4.1常見傳感器6.加速度傳感器加速度傳感器是一種能夠測量加速度的傳感器。通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。傳感器在加速過程中，通過對質(zhì)量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值。根據(jù)傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。如下圖所示。6.4.2傳感器分類用途表常見傳感器分類與用途見下表：傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)電阻移動電位器角點改變電阻電位器傳感器位移改變電阻絲或片尺寸電阻絲應變傳感器、半導體應變傳感器徽應變、力、負荷利用電阻的溫度效應熱絲傳感器氣流速度、液體流量電阻溫度傳感器溫度、輻射熱熱敏電阻傳感器溫度電容改變電容的幾何尺寸電容傳感器力、壓力、負荷、位移改變電容的介電常數(shù)液位、厚度、含水量電感改變磁路幾何尺寸、導磁體位置電感傳感器位移渦流去磁效應渦流傳感器位移、厚度、含水量利用壓磁效應壓磁傳感器力、壓力改變互感差助變壓器位移自整角機旋轉(zhuǎn)變壓器6.4.2傳感器分類用途表傳感器分類轉(zhuǎn)換原理傳感器名稱典型應用轉(zhuǎn)換形式中間參量電參數(shù)頻率改變諧振回路中的固有參數(shù)振弦式傳感器壓力、力振筒式傳感器氣壓石英諧振傳感器力、溫度等計數(shù)利用莫爾條紋光柵大角位移、大直線位移改變互感感應同步器利用拾磁信號磁場數(shù)字利用數(shù)字編號角度編碼器大角位移電能量電動勢溫差電動勢熱電偶溫度、電流霍爾效應霍爾傳感器磁通、電流電磁感應磁電傳感器速度、加速度光電效應光電池光照度電荷輻射電離電離室離子計數(shù)、放射性強度壓電效應壓電傳感器動態(tài)力、加速度6.5傳感器網(wǎng)絡ZigBee6.5.1ZigBee網(wǎng)絡的產(chǎn)生現(xiàn)如今，以傳感器和自組織網(wǎng)絡為代表的無線應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準。ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題，它是一種基于低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的雙向無線通信技術(shù)標準。ZigBee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點。這些優(yōu)點使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結(jié)合在一起。基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。6.5.2ZigBee網(wǎng)絡的主要特性ZigBee技術(shù)的主要特點如下。（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低。

只有10k字節(jié)/秒到250k字節(jié)/秒，專注于低傳輸應用。（2）功耗低。（3）成本低。

因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以降低了成本。（4）時延短。

通常時延都在15毫秒至30毫秒之間。（5）安全。

ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性。6.5.2ZigBee網(wǎng)絡的主要特性（6）網(wǎng)絡容量大。

每個ZigBee設(shè)備可以與另外254臺設(shè)備相連接。（7）優(yōu)良的網(wǎng)絡拓撲能力。ZigBee具有星、樹和叢網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實際上具有無線網(wǎng)絡自愈能力，能簡單地覆蓋廣闊范圍。（8）有效范圍小。

有效覆蓋范圍10～75米之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。（9）工作頻段靈活。

使用的頻段分別為2.4GHz(全球)、868MHz(歐洲)及915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。6.5.3ZigBee網(wǎng)絡組成ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，被稱作IEEE802.15.4（ZigBee）技術(shù)標準。IEEE僅處理的是低級MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化，如下圖所示。每個協(xié)調(diào)器可連接多達255個節(jié)點，幾個ZigBee協(xié)調(diào)器就可以組成一個網(wǎng)絡。ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其它節(jié)點獲得。6.5.3ZigBee網(wǎng)絡組成ZigBee技術(shù)組成的無線個人區(qū)域網(wǎng)是一種低速率的無線個人區(qū)域網(wǎng)（LR－WPAN）。LR-WPAN主要目標是實現(xiàn)安裝容易、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離通信、非常低的成本以及功耗，并擁有一個簡單而靈活的通信網(wǎng)絡協(xié)議。這種低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，具有有限的功率和靈活的吞吐量。

在一個LR-MPAN網(wǎng)絡中，可同時存在兩種類型的設(shè)備，一種是完整功能的設(shè)備（FFD），另一種是簡化功能的設(shè)備（RFD）。

我們在6.5.4節(jié)中具體介紹FFD與RFD。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議

ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

Zigbee協(xié)議標準中定義了三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)形式：星狀結(jié)構(gòu)，樹狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。如下圖所示。星型網(wǎng)絡中所有的終端設(shè)備都只能與協(xié)調(diào)器相連。最大可連接的終端設(shè)備可達65535個。網(wǎng)狀網(wǎng)絡具有自修復功能，是一個高級別的冗余性網(wǎng)絡。一般情況下，它能自動地選擇最優(yōu)的傳播路徑。當路由器節(jié)點部署的密度足夠大時，一旦一條最優(yōu)的通信路徑中斷，網(wǎng)絡會自動在冗余的其他路徑中選擇另一條最適合的路徑來維持正常通信。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議Zigbee網(wǎng)絡只支持2種物理設(shè)備；全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)備(RFD)。其中FFD設(shè)備可提供全部服務，可充當任何Zigbee節(jié)點，不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具有路由功能，因此可以接收子節(jié)點；

而RFD設(shè)備只提供部分服務，只能充當終端節(jié)點，不能充當協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，它只負責將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點，并不具備路由功能，因此不能接收子節(jié)點，并且RFD之間的通信必須通過FFD才能完成。Zigbee標準在此基礎(chǔ)上定義了三種節(jié)點：Zigbee協(xié)調(diào)點(Coordinator)、路由節(jié)點(Router)和終端節(jié)點(EndDevice)。在網(wǎng)絡中，一個FFD可以同時和多個RFD或多個其他的FFD通信，而對于一個RDF來說，它只能和一個FFD進行通信。6.5.4ZigBee協(xié)議架構(gòu)ZigBee協(xié)議棧構(gòu)架如下圖所示。物理層傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。ZigBee設(shè)備對象（ZDO）負責接收和處理遠程設(shè)備的不同請求。介質(zhì)訪問控制（MAC）層實現(xiàn)了IEEE802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負責同物理層（PhysicalLayer）進行交互。6.5.4ZigBee協(xié)議架構(gòu)典型的應用程序總是與應用層（APL）和應用支持子層（APS）接口相關(guān)聯(lián)，APL模塊提供高級協(xié)議棧管理功能。APS層主要提供ZigBee端點接口。應用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個或多個端點并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。它還為鍵值對（KVP）和報文（MSG）數(shù)據(jù)傳輸提供了原語。當首次對協(xié)調(diào)器編程時綁定表為空，主應用程序必須調(diào)用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項。APS還有一個間接發(fā)送緩沖器RAM（RandomAccessMemory），用來存儲間接幀，直到目標接收者請求這些幀為止。MAC_MAX_DATA_REQ_PERIOD編譯時間選項定義了確切的請求時間。節(jié)點請求數(shù)據(jù)時間越長，數(shù)據(jù)包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時間也越長，數(shù)據(jù)請求時間越長需要的間接緩沖空間越大。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議

服務原語服務是一個協(xié)議層向其上一層提供的功能，而服務用戶的功能是建立在其下一層提供基礎(chǔ)之上的。服務是通過服務提供層和服務用戶之間的信息流來描述的，每個事件通過層間SPA發(fā)送一個服務原語。

服務原語是一個抽象的概念，它僅僅指定了實現(xiàn)特定的服務需要傳遞的信息，而與實現(xiàn)服務原語的具體方式無關(guān)。一種服務包括一個和多個服務原語，原語中的參數(shù)用來傳遞提供服務所要求的信息。原語通常分為如下幾種類型。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議Request：該原語用在上層向下層請求服務或者一個設(shè)備的下層向另一個設(shè)備

的對等層請求服務。Confirm：該原語與request原語作用相反，用在下層向上層返回服務或者對等

層向下層返回服務Indication：該原語用在上層不知道網(wǎng)絡事件發(fā)生的情況下，下層向上層通知

該事件的發(fā)生。Response：該原語用在一個設(shè)備的下層向另一個設(shè)備的對等層返回request要

求的服務。用來表示對用戶執(zhí)行上一條原語調(diào)用過程的響應。Confirm：確認原語，用來傳送一個或多個前面服務原語的執(zhí)行結(jié)果。primit_join與direct_join的區(qū)別：這是兩種原語，用來設(shè)定設(shè)備加入網(wǎng)絡的方式。6.5.4ZigBee網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與協(xié)議NLME-PERMIT-JOINING.request原語：

該原語允許ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器上層設(shè)定其MAC層連接許可標志，在一定期間內(nèi)，允許其他設(shè)備同網(wǎng)絡連接。之后設(shè)備可以通過關(guān)聯(lián)（association）方式加入到網(wǎng)絡中，通常都是這種方式。NLME-DIRECT-JOIN.request原語：

該原語給出了ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器的上層如何請求直接把另一個設(shè)備連接到自己的網(wǎng)絡，之后設(shè)備只能通過直接（direct）方式加入到網(wǎng)絡中，這種方式比較少。6.5.5ZigBee技術(shù)應用范圍ZigBee可以應用到幾乎所有行業(yè)的低數(shù)據(jù)速率的無線通信。其中，更適合在無線傳感器網(wǎng)絡、家庭自動化、遙測遙控、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護理等方面的應用。（1）智能家居ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、游戲機、門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其他家電產(chǎn)品中，實現(xiàn)家居的照明、溫度、安全和電氣智能控制。（2）工業(yè)應用通過ZigBee網(wǎng)絡自動收集廠區(qū)各種設(shè)備信息，并將信息送達中央控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，以掌握工廠的整體信息。6.5.5ZigBee技術(shù)應用范圍（3）智能交通沿著街道、高速公路及其其他地方布置大量ZigBee節(jié)點設(shè)備，人們就不會再擔心迷路；安裝在汽車里的導航顯示器會告知當前所處的位置，正向何處去；即使在GPS覆蓋不到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)，仍能繼續(xù)使用ZigBee系統(tǒng)。（4）智能建筑通過ZigBee網(wǎng)絡，智能建筑可以感知大樓內(nèi)隨處可能發(fā)生的火災隱情，及早提供相關(guān)信息；及時掌握樓內(nèi)人員的出入信息，隨時隨地得到導航信息。（5）醫(yī)院應用

ZigBee網(wǎng)絡可以幫助醫(yī)生及時、準確收集急診病人的信息和檢查結(jié)果，快速準備的做出診斷。攜帶ZigBee終端的患者不論走到哪里，都可以被24小時監(jiān)控體溫、脈搏等；6.6組建ZigBee網(wǎng)絡6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)Zigbee網(wǎng)絡具有三種網(wǎng)絡形態(tài)節(jié)點：Coordinator（中心協(xié)調(diào)器），Router（路由器），EndDevice（終端節(jié)點）。1.中心協(xié)調(diào)器在一個Zigbee網(wǎng)絡中，當有節(jié)點加入時，中心協(xié)調(diào)器會分配地址給子節(jié)點。沒有低功耗狀態(tài)。每個Zigbee網(wǎng)絡只需要且一個Coordinator，不同網(wǎng)絡的網(wǎng)絡ID號是不一樣的，如果在同一空間存在二個Coordinator，如果它們初始的網(wǎng)絡ID號一樣，則后上電的Coordinator的網(wǎng)絡ID號會自動加一，以免引起網(wǎng)絡ID號沖突。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)2.路由器路由器負責轉(zhuǎn)發(fā)資料包，尋找最適合的路由路徑，當有節(jié)點加入時，可為節(jié)點分配地址，不能進入低功耗狀態(tài)，每個Zigbee網(wǎng)絡可能需要多個路由器，每個路由器可以收發(fā)數(shù)據(jù)也可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當一個網(wǎng)絡全部由Coordinator（1個）及Router（多個）構(gòu)成時，這個網(wǎng)絡才是真正的MESH網(wǎng)絡，每個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)全部是自動路由到達目標節(jié)點。3.終端節(jié)點終端節(jié)點選擇已經(jīng)存在的Zigbee網(wǎng)絡加入，可以收發(fā)數(shù)據(jù)，但是不能轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，EndDevice通常定義為電池供電設(shè)備，可周期性喚醒并執(zhí)行設(shè)定的任務，具有低功耗特征。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)下圖是ZigBee網(wǎng)絡圖：對于數(shù)據(jù)傳輸應用的Zigbee網(wǎng)絡，用戶的配置通常是1個中心協(xié)調(diào)器+n個路由器（全功能節(jié)點），可根據(jù)需要選擇一定數(shù)量的終端節(jié)點。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)Zigbee模塊有二種類型的節(jié)點，即Coordinator（主節(jié)點）及Router（從節(jié)點），每個Zigbee網(wǎng)絡由一個主節(jié)點及N個從節(jié)點構(gòu)成，同一個Zigbee網(wǎng)絡內(nèi)，所有的節(jié)點必須具有相同的頻道及網(wǎng)絡ID。下圖是ZigBee模塊圖。6.6.1ZigBee模塊的組網(wǎng)一般ZigBee模塊出廠時默認的節(jié)點類型全部