Zigbee技术介绍

11Zigbee无线通信技术一、Zigbee技术简介二、Zigbee技术特性和性能分析三、Zigbee技术应用范围四、小结2一、Zigbee技术简介一、Zigbee起源什么技术？在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年中正式问世了。3一、Zigbee技术简介•实验证明IEEE802.15.4/ZigBee的误码率，特别是在信噪比为4dB的情况下可达到10-9；达到同样误码率，蓝牙/802.15.1信噪比要达16dB，802.11b要达10dB，Zigbee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术。4一、Zigbee技术简介二、什么是Zigbee？•ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。•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和远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述这种无线信息传输技术。5一、Zigbee技术简介三、Zigbee协议的发展历史1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术2.2000年12月成立了工作小组起草IEEE802.15.4标准,Zigbee联盟成立于2001年8月3.2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟“Zigbee联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。4.2004年12月ZigBee1.0标准(又称为ZigBee2004)敲定，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。6一、Zigbee技术简介三、Zigbee协议的发展历史5.2005年9月公布ZigBee1.0标准并提供下载。在这一年里，华为技术有限公司和IBM公司加入了ZigBee联盟。但是基于该版本的应用很少，与后面的版本也不兼容。6.2006年12月进行标准修订，推出ZigBee1.1版(又称为ZigBee2006)。该协议虽然命名为ZigBee1.1，但是与ZigBee1.0版是不兼容的。7.2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007/PRO)。能够兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此时ZigBee联盟更加专注于以下三个方面：1)、家庭自动化(HomeAutomation；HA)；2)、建筑/商业大楼自动化(BuildingAutomation；BA)；3)、先进抄表基础建设(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；7二、Zigbee技术特性和性能分析•一、ZigBee频带和数据传输率•二、Zigbee物理信道•三、无线网络标准的比较•四、zigbee技术优势•五、Zigbee协议栈•六、ZigBee网络拓扑结构•七、ZigBee网络地址•八、ZigBee网络设备类型•九、Zigbee抗干扰能力•十、ZigBee可靠链路8二、Zigbee技术特性和性能分析一、ZigBee频带和数据传输率•ZigBee无线可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个；•ZigBee在中国采用2.4G的ISM频段，是免申请和免使用费的频率，在2.4G的频段上具有16个信道，带宽为250K。9二、Zigbee技术特性和性能分析二、Zigbee物理信道•ZigBee在2.4G的频段上具有16个信道，从2.405GHz—2.480GHz间分布，信道间隔是5M，具有很强的信道抗串扰能力。10二、Zigbee技术特性和性能分析三、无线网络标准的比较11二、Zigbee技术特性和性能分析四、zigbee技术优势①低功耗。在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。②低成本。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(MCU)测算,主节点需要32KB代码,子节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。③低速率。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。④近距离。传输范围一般介于10～100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3km。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。12二、Zigbee技术特性和性能分析⑤短时延。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。⑥高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。IndustrialScientificMedical(ISM)13二、Zigbee技术特性和性能分析五、Zigbee协议栈（1）TI公司开发的Z-Stack是ZigBee协议栈，并且经过了ZigBee联盟的认可而为全球众多开发商所广泛采用（2）TI公司的Z-Stack协议栈装载在一个基于IAR开发环境的工程里（3）Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式；如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件，这种软件构架可以极大地降低系统的功耗。14二、Zigbee技术特性和性能分析五、Zigbee协议栈（4）整个Z-Stack采用分层的软件结构：硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集;操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现.（5）整个Z-stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段15二、Zigbee技术特性和性能分析五、Zigbee协议栈Z-stack流程图16二、Zigbee技术特性和性能分析五、Zigbee协议栈OSAL是协议栈的核心Z-stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务，因此在开发应用层的时候，必须通过创建OSAL任务来运行应用程序任何OSAL任务必须分为两步：一是进行任务初始化二是处理任务事件17二、Zigbee技术特性和性能分析•ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象•IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层：物理层(PHYphysicallayer)和介质接入控制子层(MACmediumaccesscontrol)。ZigBee的协议模型物理层MAC层网络层安全层应用层应用支持子层ZigBee联盟IEEE802.15.4用户硬件实现ZigBee平台通信栈应用层实现“0”，“1”的传输。即数据链路层：解决无线资源的竞争问题;设备间无线数据链路的建立、维护和结束。路由，保证网络内的点到点的数据传输。对数据进行加密，保证数据的完整性。19二、Zigbee技术特性和性能分析六、ZigBee网络拓扑结构•ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；•MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；•星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。星型Mesh网状网簇状网网络协调器全功能设备（FFD，Router）精简功能设备（RFD）20二、Zigbee技术特性和性能分析•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，避免了发送数据使得竞争和冲突；明晰的信道检测；•MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包必须等待接受方的确认信息。•网络的自组织、自愈能力强•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，并确定连接关系，组成结构化的网络；•ZigBee自愈功能：增加或删除一个节点，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地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。21二、Zigbee技术特性和性能分析七、ZigBee网络地址1个是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者扩展地址（Extendedaddress），另一个是16位的网络地址，也叫做逻辑地址（Logicaladdress）或者短地址64位长地址是全球唯一的地址，并且终身分配给设备。这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置，是由IEEE来提供当设备加入ZigBee网络被分配一个短地址，在其所在的网络中是唯一的。这个地址主要用来在网络中辨识设备，数据传输和数据包路由等一个节点是一个设备，有一个射频端，一个64位IEEE地址，一个16位网络地址22二、Zigbee技术特性和性能分析八、ZigBee网络设备类型•协调器：（1）上电启动和配置网络（例如设定网络标示符，选择信道），一旦完成后相当于路由器功能。（2）每各ZigBee网络必须有一个.•ZigBee路由器(ZRrouter)(1)允许其他网络设备加入(2)多跳路由(3)协助电池供电的子节点通信(4)自己作为终端节点应用•ZigBee终端节点(ZEDenddevice)（1）向路由节点传递数据（2）没有路由功能（3）低功耗（Zigbee的低功耗主要体现在这里）（4）可选择睡眠与唤醒。（路由因不断转发数据需电源供电，终端节点电池供电）23三、Zigbee技术应用范围一、适合ZigBee传输的数据类型•周期性数据：•传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据•间断性数据•工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制•反复性低反应时间数据•如鼠标键盘数据、操作杆的数据24三、Zigbee技术应用范围二、医疗监控系统•系统应用•医院医疗监护•医疗仪器数据采集•借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。25四、小结•ZigBee作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空