Zigbee无线通信技术详解解析

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、什么是Zigbee？Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。ZigBee联盟成立于2001年8月，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等四大公司加盟ZigBee联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑。到目前为止，加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的150多家企业。3一、Zigbee技术简介二、ZigBee技术特点•ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术；•ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层；•ZigBee的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；4二、Zigbee技术特性和性能分析•一、ZigBee频带和数据传输率•二、短程无线网络标准•三、无线网络标准的比较•四、zigbee技术优势•五、Zigbee物理信道•六、Zigbee协议栈•七、ZigBee网络拓扑结构•八、ZigBee网络设备类型•九、Zigbee抗干扰能力•十、ZigBee可靠链路5二、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。6二、Zigbee技术特性和性能分析二、短程无线网络标准•ZigBee和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；•ZigBee无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。•ZigBee技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。7二、Zigbee技术特性和性能分析三、无线网络标准的比较•ZigBee无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；•ZigBee无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势；•ZigBee技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。8二、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。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。9二、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。⑦高安全。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)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码,以灵活确定其安全属性。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)。10二、Zigbee技术特性和性能分析五、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。11二、Zigbee技术特性和性能分析六、Zigbee协议栈•ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点•ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品的互连互通；•ZigBee继续与IEEE紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案。12二、Zigbee技术特性和性能分析七、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）13二、Zigbee技术特性和性能分析八、ZigBee网络设备类型•网络协调器：•包括所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算机能力强。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消息、不断地接收信息。•全功能设备（FFD）：•可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是RFD连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。•附带由标准指定的全部802.15.4功能和所有特征•更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。•也可能做终端设备•精简功能设备（RFD）：•RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。•附带有限的功能来控制成本和复杂性•在网络中通常用作终端设备。•ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。14二、Zigbee技术特性和性能分析九、Zigbee抗干扰能力•ZigBee在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术（DirectSequence/FrequencyAgility）；•ZigBee的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强；•ZigBee具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；15二、Zigbee技术特性和性能分析•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。16二、Zigbee技术特性和性能分析十、ZigBee可靠链路•物理层RF通信链路•直序扩频采用高处理增益•明晰的信道检测•对干扰能量进行检测•采用跳频技术Freqencyagility•协议•基于CRC的误码检测/校正•采取了避免冲突的策略CSMA/CA•为固定带宽的通信业务预留了专业的有保证的时隙•发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发•保持数据包的及时传输Packetdatafreshness17二、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。•ZigBee技术RF物理层上的设计保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性；•ZigBee技术在通信协议上的可靠设计，保证了较强的抗干扰能力和通信可靠性。18三、Zigbee技术应用范围•一、适合ZigBee传输的数据类型•二、适合ZigBee技术的应用场合•三、Zigbee技术典型应用19三、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20三、Zigbee技术应用范围二、适合ZigBee技术的应用场合•设备成本低、传输数据量小•设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块•没有充足的电源支持，只能使用一次性电池•需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制21三、Zigbee技术应用范围三、Zigbee技术典型应用•1、结合Zigbee和GPRS的无线数据传输•2、医疗监控系统•3、无线点餐系统•4、智能交通控制系统22三、Zigbee技术应用范围1、结合Zigbee和GPRS的无线数据传输23三、Zigbee技术应用范围•系统概述•利用GPRS网络传输基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率，并利用GPRS网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，使网络具有非常显著的优点；•利用ZIGBEE技术优势组建无线传感器网络数据传输网，并可以按照区域布置不同的汇接点，这个汇接点就是ZIGBEE的中心节点；•远程管理中心通过GPRS等公共信道与ZIGBEE网络实现远程通信，通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。•系统应用•无线传感器网络WSN•远程数据采集•远程控制网络•远程监测监控系统•远程集抄系统24三、Zigbee技术应用范围2、医疗监控系统•系统概述•利用ZIGBEE技术组成一个网状路由网络，在楼道设置合适的路由节点，进行数据的中转；•房间内的呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为ZIGBEE路由器，负责与中心网络的连接和数据中继转发；•所有的ZIGBEE路由器组成一个蜂窝网状网络，再与ZIGBEE中心节点连接，中心节点设置在管理中心，构建成一个完整的ZIGBEE无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。•系统应用•医院医疗监护•医疗仪器数据采集25三、Zigbee技术应用范围3、智能交通控制系统图一无线交通信号控制图二Zigbee远程交通控制26三、Zigbee技术应用范围•系统概述•采用ZIGBEE和太阳能结合的无线控制系统，无须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，而且也避免了由于城市快速发展，道路