1、1,Zigbee無(wú)線通信技術(shù),一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介 二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析 三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍 四、小結(jié),一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,一、什么是Zigbee？ Zigbee一詞源自蜜蜂群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，通過(guò)跳ZigZag形舞蹈來(lái)告知同伴，達(dá)到交換信息的目的。可以說(shuō)是一種小的動(dòng)物通過(guò)簡(jiǎn)捷的方式實(shí)現(xiàn)“無(wú)線”的溝通。人們借此稱呼一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，亦包含此寓意。ZigBee聯(lián)盟成立于2001年8月，2002年下半年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟

2、，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟的不僅僅只有當(dāng)初的四大公司，而是涵蓋了IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的150多家企業(yè)。,一、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介,二、ZigBee技術(shù)特點(diǎn) ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)； ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn) ：省電、簡(jiǎn)單、 成本又低的規(guī)格；ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層； ZigBee 的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括無(wú)線數(shù)據(jù)采集、無(wú)線工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制等場(chǎng)合；,

3、二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,一、ZigBee 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率 二、短程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 三、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的比較 四、zigbee 技術(shù)優(yōu)勢(shì) 五、Zigbee 物理信道 六、Zigbee 協(xié)議棧 七、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 八、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型 九、Zigbee 抗干擾能力 十、ZigBee 可靠鏈路,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,一、ZigBee 頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率 ZigBee 無(wú)線可使用的頻段有 3 個(gè)，分別是 2.4GHz 的 ISM 頻段、歐洲的 868MHz 頻 段、以及美國(guó)的 915MHz 頻段，而不同頻段可使用的信道分別是 16 、 1 、 10 個(gè)； Z

4、igBee 在中國(guó)采用 2.4G 的 ISM 頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率，在 2.4G 的頻段上 具有 16 個(gè)信道，帶寬為 250K。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,四、zigbee 技術(shù)優(yōu)勢(shì)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2 節(jié)5 號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月,甚至更長(zhǎng)。這是Zigbee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10) ,降低了對(duì)通信控制器的要求,按預(yù)測(cè)分析,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費(fèi)。每塊芯片的價(jià)格大約為2 美元。

5、低速率。Zigbee工作在20250 kbps的較低速率,分別提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 近距離。傳輸范圍一般介于10100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到13 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,短時(shí)延。Zigbee 的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms ,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需要310 s、WiFi 需要3

6、s。 高容量。Zigbee 可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254 個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。高安全。Zigbee 提供了三級(jí)安全模式,包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128) 的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性。免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美國(guó)) 和868 MHz(歐洲) 。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,五、Zigbee 物理信道 ZigBee 在

7、 2.4G 的頻段上具有 16 個(gè)信道，從 2.405GHz 2.480GHz 間分布，信道間隔 是 5M，具有很強(qiáng)的信道抗串?dāng)_能力。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,六、Zigbee 協(xié)議棧 ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn) ZigBee 增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術(shù)的一致化，利于產(chǎn) 品的互連互通； ZigBee 繼續(xù)與 IEEE 緊密結(jié)合，以保證向市場(chǎng)提供一種完整的集成解決方案。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,七、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹(shù)型和 M

8、ESH 網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來(lái)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)通信； 該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能； 星型和族樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)多多點(diǎn)、距離相對(duì)較近的應(yīng)用。,星型,Mesh網(wǎng)狀網(wǎng),簇狀網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,全功能設(shè)備 （FFD ，Router）,精簡(jiǎn)功能設(shè)備 （ RFD ）,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,八、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器： 包括所有的網(wǎng)絡(luò)消息，是 3 種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種，存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算 機(jī)能力強(qiáng)。發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息

9、、 尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息。 全功能設(shè)備（FFD）： 可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其它的 FFD 或是RFD連結(jié)，F(xiàn)FD 具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。 附帶由標(biāo)準(zhǔn)指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 更多的存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)能力可使其在空閑時(shí)起網(wǎng)絡(luò)路由作用。 也可能做終端設(shè)備 精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）： RFD 只能傳送信息給 FFD 或從 FFD 接收信息。 附帶有限的功能來(lái)控制成本和復(fù)雜性 在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 ZigBee 相對(duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)自然節(jié)省了費(fèi)用。RFD 由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降 低了 ZigBee 部件成本，而簡(jiǎn)單的 8 位處理器和小協(xié)

10、議棧也有助于降低成本。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,九、Zigbee抗干擾能力 ZigBee 在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變 DS/FA 技術(shù)（Direct Sequence / Frequency Agility）； ZigBee 的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時(shí)延擴(kuò)展的能力也最強(qiáng)； ZigBee 具備的頻率快變就是改變頻率，以避開(kāi)從一個(gè)已知干擾源或信號(hào)源來(lái)的影響的能力；,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,實(shí)驗(yàn)證明 IEEE 802.15.4/ZigBee 的誤碼率，特別是在信噪比為 4dB 的情況下可達(dá)到 10 -9 ； 達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙/ 802.15.1 信噪比要

11、達(dá) 16dB，802.11b 要達(dá) 10dB，Zigbee 的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和 WLAN 技術(shù)。,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,十、ZigBee 可靠鏈路 物理層 RF 通信鏈路 直序擴(kuò)頻采用高處理增益 明晰的信道檢測(cè) 對(duì)干擾能量進(jìn)行檢測(cè) 采用跳頻技術(shù) Freqency agility 協(xié)議 基于 CRC 的誤碼檢測(cè)/校正 采取了避免沖突的策略 CSMA/CA 為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專業(yè)的有保證的時(shí)隙 發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接受方的確認(rèn)，如出現(xiàn)問(wèn)題進(jìn)行重發(fā) 保持?jǐn)?shù)據(jù)包的及時(shí)傳輸 Packet data freshness,二、Zigbee技術(shù)特性和性能分析,通信可靠機(jī)制 Zig

12、Bee 采用了 CSMA-CA 的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專 用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)使得競(jìng)爭(zhēng)和沖突；明晰的信道檢測(cè)； MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包必須等待接受方的確認(rèn)信 息。 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng) ZigBee 的自組織功能：無(wú)需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在， 并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； ZigBee 自愈功能：增加或刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故 障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無(wú)需人工干 預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。 ZigBee 技術(shù) RF 物理層上的設(shè)計(jì)保證了較強(qiáng)的抗

13、干擾能力和通信可靠性； ZigBee 技術(shù)在通信協(xié)議上的可靠設(shè)計(jì)，保證了較強(qiáng)的抗干擾能力和通信可靠性。,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,一、適合ZigBee 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型 二、適合 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合 三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,一、適合ZigBee 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型 周期性數(shù)據(jù)： 傳感器數(shù)據(jù)、水電氣表數(shù)據(jù)、儀器儀表數(shù)據(jù) 間斷性數(shù)據(jù) 工業(yè)控制命令、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制、家用電器控制 反復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù) 如鼠標(biāo)鍵盤(pán)數(shù)據(jù)、操作桿的數(shù)據(jù),三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,二、適合 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合 設(shè)備成本低、傳輸數(shù)據(jù)量小 設(shè)備體積小，不便放置較大的充電電池

14、或者電源模塊 沒(méi)有充足的電源支持，只能使用一次性電池 需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備非常多，但僅僅用于監(jiān)測(cè)或控制,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,三、Zigbee技術(shù)典型應(yīng)用 1、結(jié)合 Zigbee 和 GPRS 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng) 3、無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng) 4、智能交通控制系統(tǒng),三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,1、結(jié)合 Zigbee 和 GPRS 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,系統(tǒng)概述 利用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸基于 Zigbee 無(wú)線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)采用 星型或 MESH 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒 Zigbee 模塊的通信方式，有效降低了每Zi

15、gbee 傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)相互碰撞的概率，并利 用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)； 利用 ZIGBEE 技術(shù)優(yōu)勢(shì)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可以按照區(qū)域布置不同的匯接點(diǎn)，這個(gè)匯接點(diǎn)就是 ZIGBEE 的中心節(jié)點(diǎn)； 遠(yuǎn)程管理中心通過(guò) GPRS 等公共信道與 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信， 通過(guò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)獲 取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。,系統(tǒng)應(yīng)用 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) WSN 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集 遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò) 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng) 遠(yuǎn)程集抄系統(tǒng),三、Zi

16、gbee技術(shù)應(yīng)用范圍,2、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng) 系 統(tǒng) 概 述 利用 ZIGBEE 技術(shù)組成一個(gè)網(wǎng)狀路由網(wǎng)絡(luò)，在樓道設(shè)置合適的路由節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)； 房間內(nèi)的呼叫節(jié)點(diǎn)采用星型網(wǎng)絡(luò)連接，由其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為 ZIGBEE 路由器，負(fù)責(zé)與中心 網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)； 所有的 ZIGBEE 路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與ZIGBEE 中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié)點(diǎn)設(shè)置在管理中心，構(gòu)建成一個(gè)完整的 ZIGBEE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 醫(yī)院醫(yī)療監(jiān)護(hù) 醫(yī)療儀器數(shù)據(jù)采集,三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,3、智能交通控制系統(tǒng) 圖一無(wú)線交通信號(hào)控制 圖二 Zigbee 遠(yuǎn)程交通控制,三、

17、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,系 統(tǒng) 概 述 采用 ZIGBEE 和太陽(yáng)能結(jié)合的無(wú)線控制系統(tǒng)，無(wú)須挖路布設(shè)控制線路，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn) 無(wú)線自動(dòng)組網(wǎng)連接，既降低了系統(tǒng)安裝成本，更重要的是避免了傳統(tǒng)安裝方式對(duì)交通干 擾所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失，而且也避免了由于城市快速發(fā)展，道路拓展等變化對(duì)原有預(yù)埋管 線的干擾。 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 路口交通信號(hào)燈控制 遠(yuǎn)程交通信號(hào)控制 道路信息采集 不停車收費(fèi)系統(tǒng),三、Zigbee技術(shù)應(yīng)用范圍,4、無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng),系 統(tǒng) 概 述 餐廳 ZigBee 無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)在餐廳、吧臺(tái)、廚房、收銀臺(tái)、處理中心部署的 ZigBee 節(jié)點(diǎn)設(shè)備構(gòu)成了完整的無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了信息處理的自動(dòng)化；

18、內(nèi)置無(wú)線 ZIGBEE 通信模塊的手持點(diǎn)餐終端，服務(wù)員通過(guò)手持的點(diǎn)餐終端處理顧客的點(diǎn) 單，用戶訂單通過(guò)終端和大廳內(nèi)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)的上傳到廚房和收銀臺(tái) 無(wú)線通信系統(tǒng)的 ZIGBEE 中心節(jié)點(diǎn)、無(wú)線 ZIGBEE 路由和無(wú)線點(diǎn)餐終端，夠構(gòu)成一個(gè) 蜂窩狀的通信網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)以多調(diào)方式實(shí)現(xiàn)通信。 其中任何一個(gè) ZIGBEE 路由 器，負(fù)責(zé)與中心網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)； 所有的 ZIGBEE 路由器組成一個(gè)蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，再與 ZIGBEE 中心節(jié)點(diǎn)連接，中心節(jié) 點(diǎn)設(shè)置在總服務(wù)臺(tái)，構(gòu)建成一個(gè)完整的 ZIGBEE 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是個(gè)通信非?？煽康木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 餐廳無(wú)線點(diǎn)餐系統(tǒng) 茶樓、咖啡館、網(wǎng)吧、KTV 娛樂(lè)場(chǎng)所呼叫系統(tǒng),四、小結(jié),ZigBee作為一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功