802154原理與ZigBee技術與應用介紹第一頁，共67頁。提綱一三IEEE802.15.4概述IEEE802.15.4物理層規(guī)范二ZigBee與IEEE802.15.4四IEEE802.15.4MAC層規(guī)范第二頁，共67頁。IEEE802.15.4概述

IEEE802.15.4工作組致力于定義一種供廉價固定的、便攜或移動設備使用的，低復雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術，并在2003年12月通過了第一個IEEE802.15.4標準。隨著無線個域網(wǎng)的推廣，無線通信網(wǎng)絡越來越關注于如何擴展WLAN的能力以及開發(fā)出一種新的通信方法來適應不斷增長的業(yè)務需求。由此就產(chǎn)生了低速率無線個域網(wǎng)標準的概念，而隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術的發(fā)展，這個也適用于無線傳感器網(wǎng)絡的標準也得到了快速的發(fā)展。IEEE802.15.4標準定義了在個人局域網(wǎng)中通過射頻方式在設備間進行互相通信的方式與協(xié)議。作為支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標準，IEEE802.15.4在無線電頻率和數(shù)據(jù)率、數(shù)據(jù)傳輸模型、設備類型、網(wǎng)絡工作方式、安全考慮等方面都做出了說明。協(xié)議模型劃分為物理層(PHY)和I媒體訪問控制層(MAC)兩個子層進行實現(xiàn)。第三頁，共67頁。IEEE802.15.4與ZigBee

ZigBee是由ZigBeeAlliance所主導的標準，定義了網(wǎng)絡層、安全層應用層、以及各種應用產(chǎn)品的架構;而由IEEE所定制的802.15.4標準，則是定義了物理層及MAC層。第四頁，共67頁。ZigBee每層基本功能物理層指定了網(wǎng)絡的接口組成、參數(shù)和運算。MAC層遵循IEEE802．15．4協(xié)議，負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束，確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時隙，實現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。網(wǎng)絡層建立新的網(wǎng)絡、處理節(jié)點的進入和離開網(wǎng)絡、根據(jù)網(wǎng)絡類型設置節(jié)點的協(xié)議堆棧、使網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器對節(jié)點分配地址、保證節(jié)點之間的同步、提供網(wǎng)絡的路由。安全層

依靠相稱性密匙保護、應用保護機制、合適的密碼機制以及相關的保密措施。應用層

ZigBee的應用層由應用子層(APS)、設備對象(ZDO)以及制造商定義的應用設備對象組成。APS子層的作用包括維護綁定表、在綁定設備間傳輸信息。ZDO的作用包括在網(wǎng)絡中定義一個設備的作用、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備并確定它們能提供何種服務、起始或回應綁定需求以及在網(wǎng)絡設備中建立一個安全的連接。制造商定義的應用對象根據(jù)ZigBee定義應用說明執(zhí)行實際的應用。

第五頁，共67頁。IEEE802.15.4標準

IEEE802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口，提供數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。在IEEE802.15.4的MAC層中引入了超幀結(jié)構和信標幀的概念。這兩個概念的引入極大了方便了網(wǎng)絡管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到超幀開始時的信標幀后，就可以根據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務，例如進入休眠狀態(tài)直到這個超幀結(jié)束。

MAC子層提供兩種服務：MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)，后者維護一個存儲MAC子層協(xié)議相關信息的數(shù)據(jù)庫。第六頁，共67頁。物理層頻帶參數(shù)在IEEE802.15.4，無線電線路可以運轉(zhuǎn)在無需執(zhí)照的三個頻帶上：868MHz，902到928MHz和2.4GHz。

在868MHz和915MHz這兩個頻段上，信號處理過程相同，只是數(shù)據(jù)速率不同。處理過程，首先將數(shù)據(jù)單元的二制數(shù)據(jù)差分編碼，然后再將差分編碼后的每一個位轉(zhuǎn)換為長度為15的片序列，最后BPSK調(diào)制到信道上。

2．4GHz頻段的處理過程，首行將數(shù)據(jù)單元的二進制數(shù)據(jù)中每4位轉(zhuǎn)換為一個符號（symbol），然后將每個符號轉(zhuǎn)換成長度為32的片序列。在把符號轉(zhuǎn)換片序列時，用符號在16個近似正交的偽隨便噪聲序列的映射表，這是一個直接序列擴頻的過程。擴頻后，信號通過O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制到載波上。第七頁，共67頁。第八頁，共67頁。物理幀格式前導碼（4字節(jié)）：用于符號同步。起始分隔符（1字節(jié)）：用于幀同步。物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務數(shù)據(jù)單元的長度。物理服務數(shù)據(jù)單元（<=127字節(jié)）：用于負載數(shù)據(jù)。前導碼起始分隔符物理頭端物理服務數(shù)據(jù)單元(PSDU)6字節(jié)0-127字節(jié)第九頁，共67頁。MAC層網(wǎng)絡設備與網(wǎng)絡拓撲MAC層幀類型超幀結(jié)構信標使能和信標不使能模式CSMA/CA算法第十頁，共67頁。MAC層網(wǎng)絡設備兩種設備類型:精簡功能設備(RFD)全功能設備(FFD)

FFD與RFD的差別：FFD有能力成為協(xié)調(diào)者并選取一個頻道建立新的網(wǎng)絡，而RFD只能透過向協(xié)調(diào)者注冊并連結(jié)后才能使用網(wǎng)絡；另一個差別在于，并不是任何節(jié)點都有資格向協(xié)調(diào)者提出GTS使用申請，此節(jié)點必須屬于FFD才可向協(xié)調(diào)者要求保證傳輸時槽使用權。三種設備角色:端設備Enddevice(RFDorFFD)：只具有簡單的收發(fā)功能，不能進行分組的轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器Coordinator(FFD)：通常通過發(fā)送信標實現(xiàn)與周圍節(jié)點的同步，且具有轉(zhuǎn)發(fā)分組的功能。網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器PANCoordinator(FFD)：為整個網(wǎng)絡的主控節(jié)點，并且每個IEEE802.15.4網(wǎng)絡只能有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)點第十一頁，共67頁。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構星型網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結(jié)構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信精簡功能設備(RFD):只支持星型結(jié)構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。第十二頁，共67頁。MAC幀格式MAC層幀結(jié)構目標：用最低復雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸幀組成地址格式：16位短地址和64位擴展地址幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型幀的類型：信標幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀，MAC命令幀第十三頁，共67頁。信標幀格式超幀字段：持續(xù)時間；活躍部分持續(xù)時間；競爭訪問時斷持續(xù)時間GTS分配釋放信息：將無競爭時斷劃分為若干個GTS，并把每個GTS具體分配給某個設備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)目標地址：列出了與協(xié)調(diào)者保存的數(shù)據(jù)相對應的設備地址信標幀負載數(shù)據(jù)：為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸接口第十四頁，共67頁。數(shù)據(jù)幀格式傳輸上層發(fā)送到MAC子層的數(shù)據(jù)MAC服務數(shù)據(jù)單元：數(shù)據(jù)負載傳送至MAC子層MAC幀：MAC服務數(shù)據(jù)單元+MHR頭信息+MFR尾信息第十五頁，共67頁。確認幀格式如果設備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或MAC命令幀，并且?guī)拇_認請求位設置為1，設備需要回應一個確認幀。確認幀的序列號應該與被確認幀的序列號相同，并且負載長度為0。確認幀緊接著被確認幀發(fā)送，不需要使用CSMA-CA機制競爭信道。第十六頁，共67頁。命令幀格式命令幀用于組建PAN，傳輸同步數(shù)據(jù)等。命令幀有9種類型。命令幀的功能：把設備關聯(lián)到PAN；與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)；分配GTS。命令幀的具體功能由幀的負載數(shù)據(jù)表示。第十七頁，共67頁。超幀結(jié)構在IEEE802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內(nèi)設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)出信標幀開始，在信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡中的普通設備接收到包含超幀結(jié)構的信標幀后，就可以根據(jù)其中的配置信息安排自己的任務。超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍兩個部分。第十八頁，共67頁。信標使能與信標不使能信標使能模式下，協(xié)議引入超幀的概念，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和設備的時間同步、識別PAN及實現(xiàn)設備之間的通信。PAN通過定義信標幀的內(nèi)容來實現(xiàn)對超幀的控制，并周期性的廣播。網(wǎng)絡采用嚴格的時間同步，分時隙進行通信?？梢栽贑AP采用時隙CSMA/CA協(xié)議進行通信，在CFP采用時隙GTS機制進行通信。在信標不使能模式下，協(xié)議較為簡單，并不采用超幀結(jié)構，設備通過無時隙的CSMA/CA機制發(fā)送數(shù)據(jù)。第十九頁，共67頁。信標使能通信設備發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給設備第二十頁，共67頁。CSMA/CA當某個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，就采用時隙或者非時隙的ＣＳＭＡ/ＣＡ進行數(shù)據(jù)傳輸。在信標使能網(wǎng)絡中，采用的是時隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，要求設備的退避時隙的邊界必須在超幀時隙的邊界上，如果ＣＳＭＡ/ＣＡ機制的動作沒有在超幀時隙的邊界上完成，下一動作將延時到下一個超幀時隙的開始邊界進行。在非信標使能網(wǎng)絡中，采用的是非時隙ＣＳＭＡ/ＣＡ，此模式不需要設備在退避時隙同其他設備的退避時隙同步。第二十一頁，共67頁。NB(后退次數(shù)，NumberOfBack)記錄的是已執(zhí)行backoff的次數(shù)，每執(zhí)行一次此值就會加1。如果遇到使用CCA去偵測頻道為忙碌時，就必須要重新去隨機取一個backoff，而此時NB就會增加。NB最大值為4如果在這四次中偵測頻道都為忙碌的話就放棄傳送此資料，其是為了避免系統(tǒng)有過大的負擔。。CW(碰撞窗口的長度，contentwindowlength)其單位為backoffperiod在IEEE802.15.4中的默認值為20個symbols。其含義是必須執(zhí)行幾次偵測頻道皆為閑置時才可將數(shù)據(jù)送出，初始值為2

會隨著偵測到頻道閑置而遞減。BE(后退指數(shù)，Backoffexponent)是用來計算Backoff時間的一個參數(shù)。其公式為：

BackoffTime=2BE–1。取值范圍為0～5，協(xié)議推薦的默認值為3，最大值為5。當BE設為0時，則只進行一次碰撞檢測。第二十二頁，共67頁?！贰分x謝觀看第二十三頁，共67頁。ZigBee技術與應用

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劉波2010年10月13日第二十四頁，共67頁。ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)第二十五頁，共67頁。ZigBee概念Zigbee是IEEE802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。

ZigBee概述

第二十六頁，共67頁。ZigBee的起源工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求越來越強烈，而藍牙技術對于這一領域顯然有一定的局限。2002年,zigbeeAlliance成立。Zigbee協(xié)議在2003年正式問世。2004年,zigbeeV1.0誕生。2006年,推出zigbee2006,比較完善。2007年底,zigbeePRO推出。

ZigBee概述

第二十七頁，共67頁。ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

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ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)第二十八頁，共67頁。ZigBee堆棧是在IEEE802.15.4標準基礎上建立的，從下往上依次是物理層，MAC層，網(wǎng)絡/安全層，應用支持子層，應用層。

ZigBee技術體系

ZigBee的堆棧架構物理層MAC層網(wǎng)絡層安全層應用層應用支持子層ZigBee聯(lián)盟IEEE802.15.4用戶硬件實現(xiàn)ZigBee平臺通信棧應用層第二十九頁，共67頁。ZigBee協(xié)議層作用

ZigBee技術體系

物理層MAC層網(wǎng)絡/安全層支持/應用層作用：作用：作用：作用：物理層是協(xié)議的最底層，承付著和外界直接作用的任務。主要目的：控制RF收發(fā)器工作。負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結(jié)束確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收。建立新網(wǎng)絡，保證數(shù)據(jù)的傳輸。對數(shù)據(jù)進行加密，保證數(shù)據(jù)的完整性。應用支持層根據(jù)服務和需求使多個器件之間進行通信。應用層主要根據(jù)具體應用由用戶開發(fā)。第三十頁，共67頁。ZigBee的頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率

ZigBee技術體系

第三十一頁，共67頁。ZigBee的物理信道

ZigBee技術體系

第三十二頁，共67頁。ZigBee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構

ZigBee技術體系

星狀網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結(jié)構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信精簡功能設備(RFD):不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。第三十三頁，共67頁。ZigBee網(wǎng)絡設備類型

ZigBee技術體系

網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器：包含所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中嘴復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設備（FFD）：可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，讓其他的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結(jié)，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。第三十四頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)絡設備類型第三十五頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過多級跳的方式來通信；該拓撲結(jié)構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。第三十六頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡第三十七頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡第三十八頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡第三十九頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡第四十頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡第四十一頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee通信可靠性保證通信可靠機制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測■MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認信息。網(wǎng)絡的自組織自語能力強■ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連結(jié)關系，組成結(jié)構化的網(wǎng)絡；■ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構進行相應的調(diào)整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。第四十二頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee通信可靠性保證第四十三頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較第四十四頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率比較第四十五頁，共67頁。

ZigBee技術體系

ZigBee技術優(yōu)勢數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒-250KB/秒，專注于低傳輸應用功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6-24個月成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65000個設備時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強，通信可靠數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個應用可靈活確定其安全屬性工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段第四十六頁，共67頁。ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)第四十七頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用條件低功耗低成本較低的報文吞吐率需要支持大型網(wǎng)絡接點的數(shù)量級對通信服務質(zhì)量QoS要求不高（甚至無QoS）需要可選擇的安全等級（采用AES-128）加密發(fā)送鑒別報文的完整性需要多方面的較復雜的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構應用要求高的網(wǎng)絡自組織、自恢復能力第四十八頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用場合低速無線設備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·控制工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費電子PC機的外圍設備家庭自動化玩具和游戲個人健康監(jiān)護第四十九頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例結(jié)合ZigBee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡第五十頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee的油田油井遙測遙控無線通信第五十一頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee技術在石油石化行業(yè)的應用液化天然氣罐遠程監(jiān)控汽油管線的腐蝕監(jiān)測潤滑油供應鏈汽油管線侵入者監(jiān)測液化天然氣容器跟蹤第五十二頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee技術在石油石化行業(yè)的應用游船引擎震動監(jiān)控油罐車駕駛員安全措施化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠程信息處理第五十三頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡第五十四頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信第五十五頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例ZIGBEE無線通信的交通信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案第五十六頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。每幢單元樓設置一個ZigBee遠端節(jié)點一個小區(qū)設置一個ZigBee中心節(jié)點ZigBee中心節(jié)點數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA或ADSL上傳到集抄中心第五十七頁，共67頁。ZigBee的應用ZigBee應用實例基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)第五十八頁，共67頁。ZigBee技術與應用

1.

ZigBee概述

2.

ZigBee技術體系

3.

ZigBee應用

4.

ZigBee的發(fā)展現(xiàn)狀以及前景

5.總結(jié)第五十九頁，共67頁。ZigBee的現(xiàn)狀和