Zigbee技术

ZigBee技术2Chp3服务内容Zigbee技术概述目录CONTENTSPAGEChp1基本概念Chp2发展历程Chp3技术特点Chp5节点类型Chp4网络拓扑Chp6协议结构Chp7典型应用4Chap1基本概念Zigbee名字的由来Zigbee名字起源于蜜蜂之间传递信息的方式。蜜蜂通过一种特殊的肢体语言告知同伴新发现的事物源位置信息，这种肢体语言是ZigZag型舞蹈，借此意义以Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。Zigbee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，主要用于短距离、低功耗、低速率的各种电子设备之间进行数据传输。NEXTChap2Zigbee的发展历程6Chap2发展历程Zigbee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术。2000年12月成立了工作小组起草IEEE802.15.4标准。2001年8月成立Zigbee联盟。2002年下半年，英国vensys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。2004年12月Zigbee10标准(又称为Zigbee2004)敲定，这使得Zigbee有了自己的发展基本标准。7Chap2发展历程2005年9月公布Zigbee1.0标准提供下载。在2005年，华为技术有限公司加入了Zigbee联盟。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Zigbee10版是不兼容的。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Zigbeepro部分。此时Zigbee联盟更加专注于以下三个方面：（1）、家庭自动化（2）、建筑/商业大楼自动化（3）、先进抄表基础建设NEXTChap3技术特点91.低功耗Chap3技术特点由于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。102.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。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。Chap3技术特点113.低时延Chap3技术特点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3～10s、WiFi需要3s。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。124.网络容量大Chap3技术特点一个星型结构的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.135.可靠Chap3技术特点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。146.免执照频段Chap3技术特点•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)。频段频带使用范围最大数据传输率信道数2.4GHzISM全世界250Kbps16868MHz欧洲20kbps1915MHzISM北美40kbps10157.传输距离灵活Chap3技术特点传输范围一般介于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。NEXTChap4网络拓扑17Chp3服务内容Chap4网络拓扑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)18Chap4网络拓扑（a）主从结构的星状网需要一个能负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置。（b）簇状网可以是扩展的单个星状网或互连多个星状网络。（c）网状网（Mesh）网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据Adhoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径。NEXTChap5节点类型20Chap5节点类型21Chap5节点类型NEXTChap6协议结构23Chap6协议结构24Chap6协议结构Zigbee协议是以IEEE802.15.3标准架构为基础开发的，IEEE802.15.4标准定义了底层：物联层PYH(PhysicalLayer)和媒体访问控制子层MAC（MediumAccessControlSub-Layer）层。Zigbee联盟在此基础上定义了网络层NWK（NetworkLayer），应用层APL（ApplicationLayer）架构。25Chap6协议结构26Chap6协议结构应用层包括应用支持子层APS（ApplicationSupportSub-Layer），应用框架AF（ApplicationFramework），Zigbee设备对象ZDO（ZigbeeDeviceObjects）以及制造所定义的应用设备27提供两种物理层的选择（868/915MHz和2.4GHz）采用DSSS，降低数字集成电路的成本，并使用相同帧结构，以便低作业周期、低功耗地运作。Chap6协议结构28IEEE802系列标准把数据链路层分成LLC和MAC两个子层。IEEE802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，通过SSCS协议承载IEEE802.2类型一的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4的MAC层的服务。MAC协议包括以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。LLC子层的主要功能包括：传输可靠性保障和控制；数据包的分段与重组；数据包的顺序传输。Chap6协议结构数据链路层29ZigBee组网过程Chap6协议结构组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点（路由器或终端）加入网络，其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。一、网络初始化：Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求：1.节点是FFD节点，具备zigbee协调器的能力；2.节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个zigbee网络中有且只有一个网络协调器。任何不满足这两个条件的节点发起建立一个新网络的进程都会被网络层管理实体终止，网络层管理实体将通过参数值为INVALID_REQUEST的NLME_NETWORK_FORMATION.confirm的原语来通知上层这是一个非法请求。30网络初始化的流程如下：1.确定网络协调器，首先判断节点是否是FFD节点，接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描，发送一个信标请求命令（Beaconrequestcommand），然后设置一个扫描期限（T_scan_duration），如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为FFD在其pos内没有协调器，那么此时就可以建立自己的zigbee网络，并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。Chap6协议结构31Chap6协议结构2.进行信道扫描过程。包括能量扫描和主动扫描两个过程：首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测，以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序，抛弃那么些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。接着进行主动扫描，搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧，然后根据这些信息，找到一个最好的、相对安静的信道，通过记录的结果，选择一个信道，该信道应存在最少的zigbee网络，最好是没有zigbee设备。在主动扫描期间，mac层将丢弃phy层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。32Chap6协议结构3.配置网络参数（设置网络ID）。找到合适的信道后，协调器将为网络选定一个网络标识符（PANID，取值=0x3FFF），这个ID在所使用的信道中必须是唯一的，也不能和其他zigbee网络冲突，而且不能为广播地址oxFFFF（此地址为保留地址，不能使用）。PANID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取，也可以人为的指定扫描的信道后来确定不和其他网络冲突的PANID。在zigbee网络中有两种地址模式：扩展地址（64位）和短地址（16位），其中扩展地址由IEEE组织分配，用于唯一的设备标识；短地址用于本地网络中设备标识，在一个网络中，每个设备的短地址必须唯一，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信。对于协调器来说，短地址通常设定为0x0000，上面步骤完成后，就成功初始化了zigbee网状网络，之后就等待其他节点的加入。33Chap6协议结构二、节点入网时将选择范围内信号最强的父节点（包括协调器）加入网络，成功后将得到一个网络短地址并通过这个地址进行数据的发送和接收，网络拓扑关系和地址就会保存在各自的flash中。节点通过协调器加入网络：当节点协调器确定之后，节点首先需要和协调器建立连接加入网络。为了建立连接，FFD节点需要向协调器提出请求，协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点做出响应，节点与协调器建立连接后，才能实现数据的收发。具体的流程可以分为下面的步骤：34Chap6协议结构1.查找网络协调器。首先会主动扫描查找周围网络的协调器，如果在扫描期限内检测到信标，那么将获得了协调器的有关信息，这时就向协调器发出连接请求。在选择合适的网络之后，上层将请求mac层对物理层和mac层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB属性进行相应的设置。如果没有检测到，间隔一段时间后，节点重新发起扫描。2.发送关联请求命令（Associaterequestcommand）。节点将关联请求命令发送给协调器，协调器收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到节点的连接请求。但是这并不意味着已经建立连接，只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的mac层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此节点的加入请求，然后给节点的mac层发送响应。35Chap6协议结构3.等待协调器处理。当节点收到协调器加入请求命令的ACK后，节点mac将等待一段时间，接受协调器的连接响应。在预定的时间内，如果接收到连接响应，它将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的mac层发送响应时会设置一个等待响应时间（T_ResponseWaitTime）来等待协调器