zigbee技术概述教育课件.ppt

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,*,*,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,Click to edit Master title style,zigbee技术概述PPT讲座,本章内容,1.,什么是,ZigBee,技术,2.ZigBee,技术特点,3.ZigBee,与,Wi-Fi,、蓝牙的区别,4.ZigBee,设备类型,5.ZigBee,网络描述,6.ZigBee,协议架构,7.ZigBee,应用领域,什么是,ZigBee,Zigbee,是,IEEE 802.15.4,协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂,(bee),是靠飞翔和,“,嗡嗡,”,(zig),地抖动翅膀的,“,舞蹈,”,来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。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。简而言之，,ZigBee,就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。,zigbee,早期也被称为,“,HomeRF LiteRF-EasyLink,”,或,“,fireFly,”,无线电技术，目前统称为,ZigBee,技术。,ZigBee,可工作在,2.14GHz(,全球流行,),、,868MHz(,欧洲流行,),和,915 MHz(,美国流行,)3,个频段上,分别具有最高,250kbit/s,、,20kbit/s,和,40kbit/s,的传输速率,它的传输距离在,10-75m,的范围内,但可以继续增加。,Zigbee,的发展历程,2002,年,zigbee Alliance,成立,.,2004,年,zigbee V1.0,诞生,.,它是,zigbee,的第一个规范,.,但由于推出仓促,存在一些错误,2006,年,推出,zigbee 2006,比较完善,.,2007,年底,zigbee PRO,推出,ZigBee,技术特点,ZigBee,具体如下技术特点：,1.,低功耗,由于,ZigBee,的传输速率低,发射功率仅为,1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此,ZigBee,设备非常省电。据估算,ZigBee,设备仅靠两节,5,号电池就可以维持长达,6,个月到,2,年左右的使用时间。,相比较,蓝牙能工作数周、,WiFi,可工作数小时。现在，,TI,公司和德国的,Micropelt,公司共同推出新能源的,Zigbee,节点。该节点采用,Micropelt,公司的热电发电机给,TI,公司的,Zigbee,提供电源。,ZigBee,技术特点,2.,低成本,由于,ZigBee,模块的复杂度不高，,ZigBee,协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低。,通过大幅简化协议,(,不到蓝牙的,1/10),降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以,8051,的,8,位微控制器测算,全功能的主节点需要,32KB,代码,子功能节点少至,4KB,代码,而且,Zigbee,免协议专利费。,市面上的,zigbee,学习开发板大概是,500-700,人民币三个模块，其中有带功放的，传输距离远一点，如果需要,LCD,显示器的话可能会贵一点，价格会在两千左右（三四个节点），但这是开发板，如果自,己焊制、生产一个,Zigbee,节点其成本远远低于以上的价格，批量生产的话应该可以控制在,50,元人民币左右成都无限龙公司和蜂舞,Zigbee,公司是市场上的主力军，除了提供开发套件，还承接,Zigbee,项目。,3.,时延短,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延,30ms,休眠激活的时延是,15ms,活动设备信道接入的时延为,15ms,。,相比较,蓝牙需要,3,10 s,、,WiFi,需要,3 s,。,这种毫秒级的时延，在实时性要求不太高的网络中是非常高效的，在有一定时延要求的网络中也是佼佼者。,ZigBee,技术特点,4.,网络容量大,一个星型结构的,ZigBee网络最多可以容纳,254,个从设备和一,个主设备,一个区域内可以同时存在最多,100,个,ZigBee,网络,而且网络组成灵活。网状结构的,ZigBee,网络中可有,65000,多个节点。,bluetooth-,每个网络,8,个节点,.,ZigBee,技术特点,5.,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。,ZigBee,技术特点,ZigBee,技术特点,6.,安全,ZigBee,提供了基于循环冗余校验,(CRC),的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,以及采用高级加密标准,(AES 128),的对称密码,以灵活确定其安全属性。,Zigbee,提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单,(ACL),防止非法获取数据,7.,免执照,频段,采用直接序列扩频在工业科学医疗,(ISM),频段,2.4 GHz(,全球,),、,915 MHz(,美国,),和,868MHz(,欧洲,),。,ZigBee,技术特点,8.,传输距离灵活,传输范围一般介于,10,100 m,之间,在增加,RF,发射功率后,亦可增加到,1,3 km,。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。,ZigBee,技术特点,ZigBee与Wi-Fi、蓝牙的区别,ZigBee设备类型,1.ZigBee,协调器（,Coordinator,）,2.ZigBee,路由器（,Router,）,3.ZigBee,终端设备（,End-device,）,一个,Zigbee,网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。,ZigBee,协调器（,Coordinator,）,它包含所有的网络信息，是,3,种设备中最复杂的，存储容量,大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、建立一个,网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点,间的路由信息并且不断的接收信息。一旦网络建,立完成,，,这,个协调器的作用就像路由器节点,。,ZigBee设备类型,ZigBee,路由器（,Router,）,它的执行功能包括,允许其它设备加入这个网络,，,跳跃路由,，辅助子树,下电池供电终端的通信。,通常,路由器全时间处在活动状态,因此为主供电,。,但是在树状拓扑中,允许路由器操作周期运行,因此,这个情,况,下允许路由器电池供电,。,ZigBee设备类型,ZigBee,终端设备（,End-device,）,一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任,所以它可以睡眠和唤配看它自己选择。因此它能作为电池供电节点。,ZigBee设备类型,简单的说，,Zigbee,是一种高可靠的无线数传网络，类似于,CDMA,和,GSM,网络。,Zigbee,数传模块类似于移动网络,基站,。通讯距离从标准的,75m,到几百米、几公里，并且支持无限扩展。,Zigbee,是一个由可多到,65000,个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，,每一个,Zigbee,网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的,75m,无限扩展。,ZigBee网络描述,与移动通信的,CDMA,网或,GSM,网不同的是，,Zigbee,网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个,Zigbee“,基站”却不到,1000,元人民币。每个,Zigbee,网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的,传感器,直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个,Zigbee,网络节点,(FFD),还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点,(RFD),无线连接。,ZigBee网络描述,拓扑结构,ZigBee,支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状,结构,(Mesh),和簇状结构,(Clustertree),，特别是网状结构，,具有很强的网络健壮性和系统可靠性。,ZigBee网络描述,ZigBee网络描述,设备类型,拓扑类型,是否成为协调器,通话对象,全功能设备,星型、树状、网状,可以,与任何,ZigBee,设备通话,简化功能设备,星型,不可以,与协调器、路由器通话，不能与终端设备通话,ZigBee网络描述,Zigbee,采用的自组织网通信方式,ZigBee,技术所采用的,自组织网,是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个,ZigBee,网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的,ZigBee,网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网,ZigBee网络描述,ZigBee,技术为什么要使用自组织网来通信？,为什么自组织网要采用,动态路由,的方式？,ZigBee网络描述,网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。,ZigBee网络描述,所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在我们的网络管理软件中，路径的选择使用的是“,梯度法,”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合,网状拓扑结构,，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。,ZigBee网络描述,ZigBee协议架构,ZigBee,协议由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成。,网络层以上协议由,ZigBee,联盟制定，,IEEE802.15.4,负责物理层和链路层标准。,ZigBee/IEEE802.15.4,規格架構,ZigBee/IEEE802.15.4规格架构,ZigBee,网络拓扑,物理层功能：,1.,激活和休眠射频收发器；,2.,信道能量检测（,energy detect,）；,3.,检测接收数据包的链路质量指示（,link quality indication,LQI,）；,4.,空闲信道评估（,clear channel assessment,CCA,）；,5.,收发数据。,ZigBee,协议架构,数据链路层功能：,1.,协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；,2.,支持,PAN,网络的关联（,association,）和取消关联（,disassociation,）操作；,3.,支持无线信道通信安全；,4.,使用,CSMA-CA,机制访问信道；,5.,支持时槽保障（,guaranteed time slot,GTS,）机制；,6.,支持不同设备的,MAC,层间可靠传输。,ZigBee,协议架构,网络层功能：,ZigBee,网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保,ZIgBee,的,MAC,层（,IEEE 802.15.4-2003,）正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。,网络层数据实体,（,NLDE,）通过网络层数据服务实体服务接入点（,NLDE-SAP,）提供数据传输服务；,网络层管理实体,（,NLME,）通过网络层管理实体服务接入点（,NLME-SAP,）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库（,NIB,）的维护和管理。,ZigBee,协议架构,应用会聚层功能：,该层主要负责把不同的应用映射到,ZigBee,网络上，具体而言包括：,1.,安全与鉴权,2.,多个业务数据流的会聚,3.,设备发现,4.,服务发现,ZigBee,协议架构,智能家庭领域,可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。,ZigBee,模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中装置,ZigBee,模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视机 时，灯光会自动减弱,;,当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过,ZigBee,终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。,ZigBee应用领域,工业领域,通过,ZigBee,网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理与分析，以利工厂整体信息之掌握，例如 火警的感测和通知，照明系统之感测，生产机台之流程控制等，都可由,ZigBee,网络提供相关信息，以达到工业与环境控制的目的。,ZigBee应用领域,智能交通,街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量,ZigBee,终端设备，你就不再担心会迷路。安装在汽车里的 器件将告诉你，你当前所处位置，正向何处去。全球定位系统,(GPS),也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确更具体的信息。即使在,GPS,覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。从,ZigBee,无线网络系统能够得到比,GPS,多很多的信息，如限速、街道是单行线还是双行线、前面 每条街的交通情况或事故信息等。,ZigBee应用领域,