1、ZigBee概念及應(yīng)用,2011年04月20日,ZigBee概念及應(yīng)用,ZigBee概述 ZigBee技術(shù)體系 ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域 ZigBee產(chǎn)品 小結(jié),ZigBee概述,ZigBee，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式：蜜蜂通過跳Zig-Zag 形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置，距離和方向等資訊。,ZigBee概述,ZigBee技術(shù)發(fā)展歷程 1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等產(chǎn)業(yè)巨頭發(fā)起的“HomeRFLite”技術(shù)。 2.2000年12月成立了工作小組起草IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn) 3.Zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月。2002年下半年，

2、英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布加盟“Zigbee聯(lián)盟”，以研發(fā)名為“Zigbee”的下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。,ZigBee概述,4.2004年12月ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)(又稱為ZigBee2004)敲定，這使得ZigBee有了自己的發(fā)展基本標(biāo)準(zhǔn)。 5.2005年9月公布ZigBee1.0標(biāo)準(zhǔn)并提供下載。在這一年里，華為技術(shù)有限公司和IBM公司加入了ZigBee聯(lián)盟。但是基于該版本的應(yīng)用很少，與后面的版本也不兼容。 6.2006年12月進行標(biāo)準(zhǔn)修訂，推出ZigBee1.1版(又稱為ZigB

3、ee2006)。該協(xié)議雖然命名為ZigBee1.1，但是與ZigBee1.0版是不兼容的。,ZigBee概述,7.2007年10月完成再次修訂(稱為ZigBee2007/PRO)。能夠兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此時ZigBee聯(lián)盟更加專注于以下三個方面： 1)、家庭自動化(Home Automation；HA)； 2)、建筑/商業(yè)大樓自動化(Building Automation；BA)； 3)、先進抄表基礎(chǔ)建設(shè)(Advanced Meter Infrastructure；AMI)；,ZigBee概述,ZigBee 是一種開放式的基于IEEE 802

4、.15.4協(xié)定的無線個人局域網(wǎng)(Wireless Personal Area Networks)標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 802.15.4定義了物理層和媒體接入控制層，而ZigBee則定義了更高層如網(wǎng)路層及應(yīng)用層等。,ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。早期也被稱為 “HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)。,ZigBee概述,ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行) 和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit

5、/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi), 但可以繼續(xù)增加 。,ZigBee概述,ZigBee具體如下技術(shù)特點： 1. 低功耗 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為 1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。 2. 低成本 由于ZigBee模塊的復(fù)雜度不高，ZigBee協(xié)議免專利費，再加之使用的頻段無需付費，所以它的成本較低。,ZigBee概述,3. 時延短 通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活

6、動設(shè)備信道接入的時延為15ms。 4. 網(wǎng)絡(luò)容量大 一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備, 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可有65000多個節(jié)點。,ZigBee概述,5. 可靠 采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可進行重發(fā)。 6. 安全 ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證, 采用了AE

7、S-128的加密算法,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。,ZigBee概述,ZigBee和其他兩大主要無線網(wǎng)絡(luò)科技的比較,ZigBee概述,ZigBee聯(lián)盟組成 成立于2001年9月 成員為半導(dǎo)體廠商、無線IP供應(yīng)商、OEM廠商及終端用戶 擁有150個成員，包括飛思卡爾、菲利普、三菱、三星、IBM及華為等 ZigBee聯(lián)盟的宗旨 在一個開放式全球標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上使穩(wěn)定的、低成本的、低功耗的、無線聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控和控制產(chǎn)品成為可能。,ZigBee概述,ZigBee聯(lián)盟的部分會員,CompXs,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee設(shè)備類型 1. ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator） 2. ZigBee路

8、由器（Router） 3. ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator） 它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種設(shè)備中最復(fù)雜的，存儲容量大、計算能力最強。它主要用于發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成,這個協(xié)調(diào)器的作用就像路由器節(jié)點。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee路由器（Router） 它執(zhí)行的功能包括允許其它設(shè)備加入這個網(wǎng)絡(luò)，跳躍路由，輔助子樹下電池供電終端的通信。通常,路

9、由器全時間處在活動狀態(tài),因此為主供電。但是在樹狀拓?fù)渲?允許路由器操作周期運行,因此這個情況下允許路由器電池供電.。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個終端設(shè)備對于維護這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?ZigBee支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(ClusterTree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。,ZigBee技術(shù)體系,星型,網(wǎng)狀型,簇狀型,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,全功能設(shè)備(FFD,Router):可

10、以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進行通信,精簡功能設(shè)備(RFD):只支持星型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee技術(shù)體系,MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過多級跳的方式來通信；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。,ZigBee網(wǎng)狀（MESH）網(wǎng)絡(luò),ZigBee技術(shù)體系,1.Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護。 2.通過以上ZigBee Mesh結(jié)構(gòu)圖可以得知，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)

11、調(diào)器，但可以有若干個路由器。 3.協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）。 4.構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee采用的路由算法 ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡(luò)性能上都有著很大的優(yōu)勢。 AODV路由協(xié)議是一種基于距離矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要節(jié)點維持通信過程中未達目的節(jié)點的路由。節(jié)點僅記住嚇一跳，而非像源節(jié)點路由那樣記住整個路由。它能在網(wǎng)絡(luò)中的各移動節(jié)點之間動態(tài)地、自啟動地建立逐跳路由。 當(dāng)鏈路斷開時

12、，AODV會通知受影響的節(jié)點，從而使這些節(jié)點能被確認(rèn)為無效路由。AODV允許移動節(jié)點響應(yīng)鏈路的破損情況，并以一種及時的方式更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。AODV操作是無還回的，并避免了當(dāng)Adhoc網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘯r快速收斂的無限計算問題（特別是當(dāng)一個節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)時）。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee協(xié)議架構(gòu) ZigBee協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zig-Bee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。,ZigBee技術(shù)體系,ZigBee協(xié)議棧模型,ZigBee技術(shù)體系,物理層功能： 1. 激活和休眠射頻收發(fā)器； 2. 信道能量檢測（energy detect

13、）； 3. 檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication , LQI）； 4. 空閑信道評估（clear channel assessment, CCA）； 5. 收發(fā)數(shù)據(jù)。,ZigBee技術(shù)體系,數(shù)據(jù)鏈路層功能： 1. 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)議器同步； 2. 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)聯(lián)（disassociation）操作； 3. 支持無線信道通信安全； 4. 使用CSMA-CA機制訪問信道； 5. 支持時槽保障（guaranteed time slot, GTS） 機制； 6. 支持不同設(shè)備的MAC

14、層間可靠傳輸。,ZigBee技術(shù)體系,網(wǎng)絡(luò)層功能： 1.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZIgBee的MAC層（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實體，它們分別為數(shù)據(jù)服務(wù)實體和管理服務(wù)實體。 2.網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE）通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)接入點（NLDE-SAP）提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；,ZigBee技術(shù)體系,3.網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務(wù)接入點（NLME-SAP）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)

15、絡(luò)層管理實體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫（NIB）的維護和管理。,ZigBee技術(shù)體系,應(yīng)用會聚層功能： 該層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括： 1. 安全與鑒權(quán) 2. 多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚 3. 設(shè)備發(fā)現(xiàn) 4. 服務(wù)發(fā)現(xiàn),ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,ZigBee適應(yīng)的應(yīng)用場合,低速無線設(shè)備,工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè),消費電子,個人 健康監(jiān)護,玩具和游戲,家庭 自動化,PC 機的 外圍設(shè)備,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,ZigBee技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,消費性電子設(shè)備 家庭和樓宇自動化設(shè)備 工業(yè)控制裝置 農(nóng)業(yè)自動化 電腦外設(shè) 醫(yī)用傳感器 玩具和游戲機等設(shè)備 支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領(lǐng)域,

16、ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,結(jié)合ZigBee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee的油田油井遙測遙控?zé)o線通信,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,ZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用,液化天然氣罐遠(yuǎn)程監(jiān)控,汽油管線的腐蝕監(jiān)測,潤滑油供應(yīng)鏈,汽油管線侵入者監(jiān)測,液化天然氣容器跟蹤,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,ZigBee技術(shù)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用,化工產(chǎn)品鐵路槽車的遠(yuǎn)程信息處理,游船引擎震動監(jiān)控,油罐車駕駛員安全措施,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee技術(shù)的管道監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng),采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目?/p>

17、靠性。 每幢單元樓設(shè)置一個ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點 一個小區(qū)設(shè)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,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee技術(shù)的無線三表遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng),ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee技術(shù)的水文水利監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),采用MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?每個水文水利計量處設(shè)置一個ZIGBEE遠(yuǎn)端節(jié)點 一個區(qū)域監(jiān)測點設(shè)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上傳到監(jiān)測中心,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,ZigBee智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案,ZIGBEE無線通信的交通

18、信號控制系統(tǒng)-交通路口控制通信,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,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)-遠(yuǎn)程實時控制通信,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,醫(yī)院對病患、監(jiān)護設(shè)備及設(shè)施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控,借助于各種傳感器和ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)，準(zhǔn)確且實時地監(jiān)測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫(yī)生查房的工作負(fù)擔(dān)，有助于醫(yī)生作出快速的反應(yīng)，特別是對重病和病危患者的監(jiān)護治療。,ZigBee應(yīng)用領(lǐng)域,基于ZigBee技術(shù)的無線點餐系統(tǒng)通信解決方案,ZigBee產(chǎn)品,ZigBee產(chǎn)品 1.日本OKI太陽能電池的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗機 目的： 測定ZigBee電波傳播特性 測

19、定太陽能電池供電性能 測定移動裝置定位性能 推進利用ZigBee構(gòu)筑無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò),ZigBee產(chǎn)品,ZigBee產(chǎn)品,2.OKI的ZigBee生物傳感器節(jié)點 應(yīng)用在醫(yī)院等醫(yī)療單位 患者實時身體狀況信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)生或護理師,ZigBee產(chǎn)品,3.日立的壓力檢測傳感器 用于大型機械和建筑物的安全監(jiān)控 支持ZigBee規(guī)格，通信距離達100米 每5分鐘通信一次，1節(jié)5號鋰電池可工作3年以上,ZigBee產(chǎn)品,4.三菱的ZigBee無線傳感器 尺寸：5.4cm x 4.4cm x 0.8cm 傳感器模塊配備溫度、濕度、加速度、光照度、紫外線、人體感應(yīng)及聲壓傳感器 用于家庭保安系統(tǒng),ZigBee產(chǎn)品,5.韓國 Pantech&Curitel 手機 全球第一個內(nèi)嵌ZigBee模塊手機 可實現(xiàn)對家庭電燈、電腦的開關(guān)和對濕度、溫度的控制,ZigBee產(chǎn)品,6.Lusora垂飾 專為老人提供居家安全保障 內(nèi)嵌照相機、加速計、各類傳感器和收發(fā)器 配合家居其他ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò),ZigBee產(chǎn)品,7.菲利普樓宇無線照明控制 照明開關(guān)光暗控制 可根據(jù)光線亮度自動調(diào)節(jié) 網(wǎng)絡(luò)可隨意增添傳感器,小結(jié),自從Bluetooth出現(xiàn)以后，曾讓工