• 1. 1 Zigbee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。2
  • 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 IEEE 802.15.4 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;3
  • 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4
  • 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。 5
  • 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。6
  • 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。7
  • 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20~250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps(868 MHz) 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10~100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1~3 km。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。8
  • 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15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3~10 s、WiFi 需要3 s。 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(AES 128) 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. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。9
  • 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。 10
  • 11. 二、Zigbee技术特性和性能分析六、Zigbee 协议栈 ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 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。 11
  • 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 ) 12
  • 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。13
  • 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(Direct Sequence / Frequency Agility); 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;14
  • 15. 二、Zigbee技术特性和性能分析 实验证明 IEEE 802.15.4/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。 15
  • 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 Freqency agility 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 Packet data freshness16
  • 17. 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。 17
  • 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18
  • 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 19
  • 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20
  • 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 21
  • 22. 三、Zigbee技术应用范围1、结合 Zigbee 和 GPRS 的无线数据传输22
  • 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 23
  • 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24
  • 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 25
  • 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,道路拓展等变化对原有预埋管 线的干扰。 系 统 应 用 路口交通信号灯控制 远程交通信号控制 道路信息采集 不停车收费系统26
  • 27. 三、Zigbee技术应用范围4、无线点餐系统 系 统 概 述 餐厅 ZigBee 无线节点网络,通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、处理中心部署的 ZigBee 节点设备构成了完整的无线通讯网络,实现了信息处理的自动化; 内置无线 ZIGBEE 通信模块的手持点餐终端,服务员通过手持的点餐终端处理顾客的点 单,用户订单通过终端和大厅内的 ZigBee 网络自动的上传到厨房和收银台 无线通信系统的 ZIGBEE 中心节点、无线 ZIGBEE 路由和无线点餐终端,够构成一个 蜂窝状的通信网络,任何一个节点以多调方式实现通信。 其中任何一个 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 点设置在总服务台,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 餐厅无线点餐系统 茶楼、咖啡馆、网吧、KTV 娱乐场所呼叫系统27
  • 28. 四、小结ZigBee作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身。我们有理由相信在不远的将来,将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生活,并将极大地改善我们的生活方式和体验。 从802.15.4到ZigBee不难发现,这些标准的目的,就是希望以低价切入产业自动化控制、能源监控、机电控制、照明系统管控、家庭安全和RF遥控等领域。传递少量信息,例如:控制(Control)或是事件(Event)的资料传递,都是ZigBee容易发挥的战场。28
  • 29. 29 THAT'S ALLTHANK YOU29