《無線傳感網技術》 課件 第3章 ZigBee技術

ZigBee技術與應用

------ZigBee系列1

ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結ZigBee概述ZigBee，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式：蜜蜂通過跳Zig-Zag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置，距離和方向等資訊。ZigBee概念Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。

ZigBee概述

ZigBee的起源工業(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，而藍牙技術對于這一領域顯然有一定的局限。2002年,zigbeeAlliance成立。Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。2004年,zigbeeV1.0誕生。2006年,推出zigbee2006,比較完善。2007年底,zigbeePRO推出。

ZigBee概述

ZigBee概述ZigBee技術發(fā)展歷程1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等產業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”技術。2.2000年12月成立了工作小組起草IEEE802.15.4標準3.Zigbee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體公司四大巨頭共同宣布加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術發(fā)展過程中的里程碑。ZigBee概述4.2004年12月ZigBee1.0標準(又稱為ZigBee2004)敲定，這使得ZigBee有了自己的發(fā)展基本標準。5.2005年9月公布ZigBee1.0標準并提供下載。在這一年里，華為技術有限公司和IBM公司加入了ZigBee聯(lián)盟。但是基于該版本的應用很少，與后面的版本也不兼容。6.2006年12月進行標準修訂，推出ZigBee1.1版(又稱為ZigBee2006)。該協(xié)議雖然命名為ZigBee1.1，但是與ZigBee1.0版是不兼容的。ZigBee概述7.2007年10月完成再次修訂(稱為ZigBee2007/PRO)。能夠兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此時ZigBee聯(lián)盟更加專注于以下三個方面：

1)、家庭自動化(HomeAutomation；HA)；2)、建筑/商業(yè)大樓自動化(BuildingAutomation；BA)；3)、先進抄表基礎建設(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；ZigBee概述ZigBee和其他兩大主要無線網絡科技的比較ZigBee概述ZigBee聯(lián)盟組成成立于2001年9月成員為半導體廠商、無線IP供應商、OEM廠商及終端用戶擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等ZigBee聯(lián)盟的宗旨在一個開放式全球標準的基礎上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網的監(jiān)控和控制產品成為可能。ZigBee概述ZigBee聯(lián)盟的部分會員CompXsZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的，從下往上依次是物理層，MAC層，網絡/安全層，應用支持子層，應用層。(結合ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議的文件目錄講解)

ZigBee技術體系

ZigBee的堆棧架構物理層MAC層網絡層安全層應用層應用支持子層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4用戶硬件實現(xiàn)ZigBee平臺通信棧應用層ZigBee協(xié)議層作用

ZigBee技術體系

物理層MAC層網絡/安全層支持/應用層作用：作用：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。主要目的：控制RF收發(fā)器工作。負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結束確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收。建立新網絡，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。應用支持層根據(jù)服務和需求使多個器件之間進行通信。應用層主要根據(jù)具體應用由用戶開發(fā)。ZigBee的頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率

ZigBee技術體系

ZigBee的物理信道

ZigBee技術體系

ZigBee技術體系ZigBee設備類型

1.ZigBee協(xié)調器（Coordinator）

2.ZigBee路由器（Router）

3.ZigBee終端設備（End-device）一個Zigbee網絡由一個協(xié)調器節(jié)點、多個路由器和多個終端設備節(jié)點組成。ZigBee技術體系ZigBee協(xié)調器（Coordinator）它包含所有的網絡信息，是3種設備中最復雜的，存儲容量大、計算能力最強。它主要用于發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網絡建立完成,這個協(xié)調器的作用就像路由器節(jié)點。ZigBee技術體系ZigBee路由器（Router）它執(zhí)行的功能包括允許其它設備加入這個網絡，跳躍路由，輔助子樹下電池供電終端的通信。通常,路由器全時間處在活動狀態(tài),因此為主供電。但是在樹狀拓撲中,允許路由器操作周期運行,因此這個情況下允許路由器電池供電.。ZigBee技術體系ZigBee終端設備（End-device）一個終端設備對于維護這個網絡設備沒有具體的責任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee技術體系

星狀網狀型簇狀型網絡協(xié)調器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信精簡功能設備(RFD):不能成為任何協(xié)商者，可以和網絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。ZigBee網絡設備類型

ZigBee技術體系

網絡協(xié)調器：包含所有的網絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網絡信標、建立一個網絡、管理網絡節(jié)點、存儲網絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設備（FFD）：可以擔任網絡協(xié)調者，形成網絡，讓其他的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

ZigBee技術體系

ZigBee網絡設備類型

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過多級跳的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能。ZigBee技術體系1.Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護。

2.通過以上ZigBeeMesh結構圖可以得知，一個ZigBee網絡只有一個網絡協(xié)調器，但可以有若干個路由器。

3.協(xié)調器負責整個網絡的建網，同時它也可作為與其它類型網絡的通訊節(jié)點（網關）。

4.構成協(xié)調器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構成終端設備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).ZigBee技術體系ZigBee采用的路由算法

ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網絡性能上都有著很大的優(yōu)勢。

AODV路由協(xié)議是一種基于距離矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要節(jié)點維持通信過程中未達目的節(jié)點的路由。節(jié)點僅記住下一跳，而非像源節(jié)點路由那樣記住整個路由。它能在網絡中的各移動節(jié)點之間動態(tài)地、自啟動地建立逐跳路由。當鏈路斷開時，AODV會通知受影響的節(jié)點，從而使這些節(jié)點能被確認為無效路由。AODV允許移動節(jié)點響應鏈路的破損情況，并以一種及時的方式更新網絡拓撲。AODV操作是無還回的，并避免了當Adhoc網絡拓撲變化時快速收斂的無限計算問題（特別是當一個節(jié)點進入網絡時）。

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡

ZigBee技術體系

ZigBee網狀網絡ZigBee技術體系ZigBee協(xié)議架構

ZigBee協(xié)議由應用層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網絡層以上協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。ZigBee技術體系ZigBee協(xié)議棧模型

ZigBee技術體系

ZigBee通信可靠性保證通信可靠機制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測■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)包都必須等待接受方的確認信息。網絡的自組織自語能力強■ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連結關系，組成結構化的網絡；■ZigBee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，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應的調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。

ZigBee技術體系

ZigBee通信可靠性保證

ZigBee技術體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較

ZigBee技術體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較

ZigBee技術體系

ZigBee技術優(yōu)勢數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒-250KB/秒，專注于低傳輸應用功耗低：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：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絡容量大：網絡可容納65000個設備時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。網絡的自組織、自愈能力強，通信可靠數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，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），各個應用可靈活確定其安全屬性工作頻段靈活：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ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結ZigBee的應用ZigBee應用條件低功耗低成本較低的報文吞吐率需要支持大型網絡接點的數(shù)量級對通信服務質量QoS要求不高（甚至無QoS）需要可選擇的安全等級（采用AES-128）加密發(fā)送鑒別報文的完整性需要多方面的較復雜的網絡拓撲結構應用要求高的網絡自組織、自恢復能力ZigBee的應用ZigBee應用場合低速無線設備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·控制工業(yè)、農業(yè)和商業(yè)消費電子PC機的外圍設備家庭自動化玩具和游戲個人健康監(jiān)護ZigBee的應用ZigBee應用實例結合ZigBee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網絡ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee的油田油井遙測遙控無線通信ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee技術在石油石化行業(yè)的應用液化天然氣罐遠程監(jiān)控汽油管線的腐蝕監(jiān)測潤滑油供應鏈汽油管線侵入者監(jiān)測液化天然氣容器跟蹤ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee技術在石油石化行業(yè)的應用游船引擎震動監(jiān)控油罐車駕駛員安全措施化工產品鐵路槽車的遠程信息處理ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網絡ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee的應用ZigBee應用實例ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)采用MESH網狀網絡結構，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｃ看眴卧獦窃O置一個ZigBee遠端節(jié)點一個小區(qū)設置一個ZigBee中心節(jié)點ZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結ZigBee的現(xiàn)狀和發(fā)展前景ZigBee的市場預測ZigBee的現(xiàn)狀和發(fā)展前景ZigBee的市場現(xiàn)狀以及前景ZigBee的現(xiàn)狀和發(fā)展前景ZigBee的前景盡管ZigBee在出現(xiàn)伊始就以其低功耗，數(shù)據(jù)傳輸可靠，網絡容量大，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的無線網絡