4ZigBee技术

2020/1/121第4章ZigBee技术2020/1/122ZigBee简介ZigBee这个字源于蜜蜂群发现食物源的时候，通过跳“之”字形的舞蹈（Zigzag舞）在同伴中传递信息，以到达彼此沟通讯息的目的，故以此做新一代无线通讯技术的命名。ZigBee技术是一种结构简单、低成本、低功耗、低速率和可靠性高的短距离无线通信新技术。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee的网络标准由IEEE802.15工作组负责制定，被称作802.15.4(ZigBee)技术标准。2020/1/123ZigBee技术特点低速率：数据传输速率只有20~250kb/s，分别提供250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率的传输数据的应用需求。低功耗：在低功耗待机模式下，2节普通5号电池可使用6~24月，这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的独特优势。低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；并且ZigBee协议免收专利费。ZigBee网络节点模块一般在1000元以下，而主要使用的网络子节点价格可降到100元以下。容量大：ZigBee网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理254个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，可组成65000个节点的大型网络时延短：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms。相对而言，蓝牙需要3~10s，WiFi需要3s。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。2020/1/124ZigBee技术特点近距离：传输范围一般介于10~100m之间，能覆盖普通的家庭和办公场所，在增加RF发射功率后，可增加到1~3KM。安全高：ZigBee提供了三级安全模式，保证安全性。可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可进行重发。2020/1/125ZigBee频带和数据通信率2020/1/126ZigBee物理信道2020/1/127短程无线网络标准2020/1/128短程无线网络标准2020/1/129ZigBee协议层作用物理层MAC层网络/安全层支持/应用层作用：作用：作用：建立新网络，保证数据的传输。对数据进行加密，保证数据的完整性作用：物理层是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。主要目的：控制RF收发器工作负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束确认模式的数据传送和接收。应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信。应用层主要根据具体应用由用户开发。2020/1/1210ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网。星型网：是由一个PAN协调点和一个或多个终端节点组成的。PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。星型网通常用于节点数量较少的场合。ZigBee网络拓扑结构网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。2020/1/1211Mesh网：一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。ZigBee网络拓扑结构网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。2020/1/1212Mesh网可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网。混合网：终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调点。混合网都适用于覆盖范围较大的网络。ZigBee网络拓扑结构网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。2020/1/1213ZigBee技术体系ZigBee通信可靠性保证通信可靠机制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测■MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。网络的自组织自语能力强■ZigBee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连结关系，组成结构化的网络；■ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。2020/1/1214ZigBee通信可靠性保证2020/1/1215ZigBee技术优势数据传输速率低：10kb/s~250kb/s，专注于低速率传输应用。低功耗：在低功耗待机模式下，2节普通5号电池可使用6~24月。低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。每块ZigBee芯片价格大约2美元。容量大：网络可容纳65000个设备。时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠。数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）保证安全性。工作频段灵活：使用频段2.4GHz,868MHz(欧洲)和915MHz（美国）均免执照的频段。2020/1/1216ZigBee应用条件低功耗低成本较低的报文吞吐率需要支持大型网络节点的数量级对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）需要可选择的安全等级（采用AES-128）需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用要求高的网络自组织、自恢复能力2020/1/1217ZigBee的应用基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络2020/1/1218ZigBee的应用ZigBee智能交通控制系统无线通信方案ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信2020/1/1219ZigBee的应用基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点一个小区设置一个ZigBee中心节点ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心2020/1/1220基于ZigBee技术的远程抄表系统采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点。一个小区设置一个ZigBee中心节点。ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心。