无线通信 ------ZigBee

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1. ZigBee概述 2. ZigBee技术体系 3. ZigBee应用 4. ZigBee的发展现状以及前景 5. 总结 ZigBee技术与应用

ZigBee概述 • ZigBee概念 • Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 • 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。 • 主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 • 简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

4 短程速率无线网络标准 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。

Zigbee：名称的由来？ 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。

ZigBee概述 • ZigBee的起源 • 工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求越来越强烈，而蓝牙技术对于这一领域显然有一定的局限。 • 2002年,zigbee Alliance成立。 • Zigbee协议在2003年正式问世。 • 2004年,zigbee V1.0诞生。 • 2006年,推出zigbee 2006,比较完善。 • 2007年底,zigbee PRO推出。

ZigBee技术体系 • ZigBee的堆栈架构 • ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，从下往上依次是物理层，MAC层，网络/安全层，应用支持子层，应用层。应用层用户应用支持子层安全层 ZigBee 联盟网络层 MAC层 IEEE 802.15.4 物理层硬件实现 ZigBee平台通信栈应用层

ZigBee技术体系 • ZigBee协议层作用物理层支持/应用层 MAC层网络/安全层作用：作用：作用：作用：应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信。应用层主要根据具体应用由用户开发。物理层是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。主要目的：控制RF收发器工作。负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束确认模式的数据传送和接收。建立新网络，保证数据的传输。对数据进行加密，保证数据的完整性。

ZigBee技术体系 • ZigBee的频带和数据传输率

ZigBee技术体系 • ZigBee的物理信道

ZigBee技术体系 • ZigBee网络拓扑结构网状型星状网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。簇状型

ZigBee技术体系 • ZigBee网络设备类型网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中嘴复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。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，让其他的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。精简功能设备（RFD）：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

ZigBee技术体系 • ZigBee网络设备类型

ZigBee技术体系 • ZigBee网状网络 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。

ZigBee技术体系 • ZigBee网状网络

ZigBee技术体系 • ZigBee通信可靠性保证通信可靠机制 ■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，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测 ■MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接受方的确认信息。网络的自组织自语能力强 ■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，并确定连结关系，组成结构化的网络； ■ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，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的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

ZigBee技术体系 • ZigBee通信可靠性保证

ZigBee技术体系 • ZigBee数据传输率比较

ZigBee技术体系 • ZigBee技术优势数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段

26 • 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。

27 • ZigBee技术优势 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) 。

ZigBee的应用 • ZigBee应用条件低功耗低成本较低的报文吞吐率需要支持大型网络接点的数量级对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）需要可选择的安全等级（采用AES-128）加密发送鉴别报文的完整性需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用要求高的网络自组织、自恢复能力

· 鼠标 · TV · 键盘 · 监视 · VCR · 操作杆 · 传感器 · DVD · 自动化 · CD · 控制 · 监视 · 诊断 · 传感器 · 玩具 · 保安 · 游戏器具 · HVAC · 照明 · 门禁 ZigBee的应用 • ZigBee应用场合工业、农业和商业消费电子 PC 机的外围设备个人健康监护低速无线设备家庭自动化玩具和游戏

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例 ZigBee技术在石油石化行业的应用汽油管线的腐蚀监测液化天然气罐远程监控液化天然气容器跟踪润滑油供应链汽油管线侵入者监测

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例 ZigBee技术在石油石化行业的应用游船引擎震动监控化工产品铁路槽车的远程信息处理油罐车驾驶员安全措施

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 VANET ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统（智能电表）采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点一个小区设置一个ZigBee中心节点 ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心

ZigBee的应用 • ZigBee应用实例基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统

40 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 Zigbee技术应用

ZigBee的现状和发展前景 • ZigBee的市场预测

ZigBee的现状和发展前景 • ZigBee的市场现状以及前景

ZigBee的现状和发展前景 • ZigBee的前景尽管ZigBee在出现伊始就以其低功耗，数据传输可靠，网络容量大，安全可靠以及低成本等一系列令业界欢欣鼓舞的面貌示人，然而这种主要用于室内的无线网络通信技术却并没有太多的机会来让其所具有的种种优点物尽其用。不久前，市场调研公司In-Stat发布的一份报告就指出，目前，ZigBee的开发以大厦自动化设备、产业、医疗及家庭自动化等领域为目标。尤其在自动仪表领域，ZigBee拥有很高的关注度。In-Stat预测，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片组的合计供货量到2011年将从06年的500万个增至1亿2,000万个。但在家电市场，由于竞争技术较多，ZigBee得以普及的可能性很低，发展前景难以预料。

ZigBee的现状和发展前景 • ZigBee联盟会员 CompXs

总结 • 自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，影响了这些厂商的使用意愿。 • 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。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置式。 • 对于大量的节点，怎样合理调度使得最后产生的路由路径合理有效，都是需要研究的方向。 • 全网跳频技术，抗干扰技术等都是需要探讨的。

谢谢 Q&A

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