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一种崭新的无线通信 网络标准－ ZigBee

一种崭新的无线通信 网络标准－ ZigBee. 张洁涛 2005-06-26. 内容. 无线通信基础 现代无线通信标准 ZigBee 网络标准 ZigBee 开发平台和产品. 内容. 无线通信基础 现代无线通信标准 ZigBee 网络标准 ZigBee 开发平台和产品. 无线设备. 常见无线通信设备 收音机 电视机 遥控器 手机 不同种类的无线设备工作方式不同，也工作在不同的频段. 无线频谱. 信号源. 调制器. 天线. 调制信号. 解调器. 天线. 无线通信系统模型. 发射机 接收机. 无线电波的传播特性 (1).

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一种崭新的无线通信 网络标准－ ZigBee

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Presentation Transcript

  1. 一种崭新的无线通信网络标准－ZigBee 张洁涛 2005-06-26

  2. 内容 • 无线通信基础 • 现代无线通信标准 • ZigBee网络标准 • ZigBee开发平台和产品

  3. 内容 • 无线通信基础 • 现代无线通信标准 • ZigBee网络标准 • ZigBee开发平台和产品

  4. 无线设备 • 常见无线通信设备 • 收音机 • 电视机 • 遥控器 • 手机 • 不同种类的无线设备工作方式不同，也工作在不同的频段

  5. 无线频谱

  6. 信号源 调制器 天线 调制信号 解调器 天线 无线通信系统模型 • 发射机 • 接收机

  7. 无线电波的传播特性(1)

  8. 无线电波的传播特性(2)

  9. 无线网络拓扑结构(1) • 直接连接 • 取代有线连接 • 点对点通信 • 如：红外线 IrDA

  10. 无线网络拓扑结构(2) • 星型网络 • 拥有一个中心路由和控制点 • 所有数据都经过中心控制点 • 支持点对点、点对多点通信 • 如：Wi-Fi、GSM、Bluetooth等

  11. 无线网络拓扑结构(3) • 树状网络 • 特性和星型网络类似 • 网状网络 • 多路径数据传输 • 自行配置和修复 • 如：ZigBee

  12. FDD：频分复用 TDD：时分复用 无线网络的复用技术

  13. FDMA：频分多址 TDMA：时分多址 CDMA：码分多址 无线网络的多用户接入技术

  14. 扩频通信原理(发射机)

  15. 扩频通信原理(接收机)

  16. 内容 • 无线通信基础 • 现代无线通信标准 • ZigBee网络标准 • ZigBee开发平台和产品

  17. 现代无线标准(1) • 3G－第三代移动通信 • 协议：W-CDMA、 CDMA2000、 TD-SCDMA • 频段：2GHz附近 • 速率：最高达2Mbps • 特点：支持多媒体播放， 收看电视

  18. 现代无线标准(2) • Wi-Fi • 遵循IEEE802.11a/b/g协议 • 应用：上网、视频、电脑 联网 • 频段：2.4 / 5.0 GHz • 速率：11~54 Mbps • 通信模式：扩频 • 距离：<100m

  19. 现代无线标准(3) • Bluetooth－蓝牙 • 遵循IEEE802.15.1协议 • 应用：取代有线 • 频段：2.4GHz • 通信模式：跳频 • 速率：<1Mbps • 距离：<10m

  20. 现代无线标准(4) • UWB－超宽带通信 • 协议：IEEE802.15.3 • 应用：家庭高速无线接入 • 频段：3.1~10.6GHz • 协议标准未完成 • WiMax－城域无线网 • NFC－近场通信

  21. 内容 • 无线通信基础 • 现代无线通信标准 • ZigBee网络标准 • ZigBee开发平台和产品

  22. ZigBee联盟简介 • ZigBee联盟组成 • 成立于2001年9月 • 成员为半导体厂商、无线IP供应商、OEM厂商及终端用户 • 拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三菱、三星、IBM及华为等 • ZigBee联盟的宗旨 • 在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产品成为可能……

  23. 为何需要ZigBee技术 • 专门为远程监控和控制的无线网络？ • 网络存在的实用性？ • ZigBee技术应具备的特性 • 低成本：只需几美元就可以添加进产品 • 低功耗：典型应用普通电池应能工作约1年 • 低复杂度：必须非常容易使用 • 快速、可靠、安全 • 不同厂商生产的产品可兼容

  24. ZigBee技术目标市场和应用 樓宇自動化 電子消費產品 電視 錄像機 DVD/CD 无线遙控器 保安系統 大型空調系統 自動讀表系統 照明控制 門禁系統 電腦設備 保健 ZigBee 简单有效的无线控制手段 病人監護系統 健身監察系統 工業自动控制 车辆监控 資產监控管理 生產過程監控 環境及能源管理

  25. 家居监控网络示意图

  26. ZigBee技术的主要优点 • 功耗低：发射功率仅1mW，还可采用休眠模式；两节5号电池可工作1~2年。 • 成本低：由于传输速率低，网络协议简单，成本较低，而且ZigBee协议免专利费。 • 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。 • 网络容量大：网络可容纳65,000个设备。 • 传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。 • 安全：采用AES-128加密算法，各个应用可灵活确定其安全属性。

  27. ZigBee协议模型

  28. 物理层(1) • 遵循IEEE802.15.4协议。 • 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。 • 调制方式：扩频通信 • 信号传输距离：~50m（室内），~150m（室外）。

  29. 频率頻帶 覆篕范围数据传输速度信道数量 2.4 GHz ISM 全球 250 kbps 16 915 MHz ISM 美洲40 kbps 10 868 MHz ISM歐洲20 kbps 1 物理层(2)

  30. 物理层(3)

  31. 媒体接入控制层(1) • 遵循IEEE802.15.4协议 • 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 • 可选时隙，实现低延迟传输 • 支持各种网络拓扑结构 • 网络中每个设备为16位地址寻址

  32. 媒体接入控制层(2) • 全功能器件 FFD • 可工作于所有网络结构 • 可作为网络协调器 • 可与网络中任何节点通信 • 简化功能器件 RFD • 仅可和网络中的FFD通信 • 不能作为网络协调器

  33. 媒体接入控制层(3) • 周期性的数据通信 • 由用户决定周期的长短 • 如：烟雾传感器 • 间歇性的数据通信 • 由用户或外界事件引发决定间歇长短 • 如：电灯开关 • 重复而快速反应的数据通信 • 指定固定的时隙进行通信 • 如：鼠标、键盘

  34. 网络及安全层 • 建立新的网络 • 处理节点的进入和离开网络 • 根据网络类型设置节点的协议堆栈 • 使网络协调器对节点分配地址 • 保证节点之间的同步 • 提供网络的路由 • 保证数据的完整性 • 使用可选的AES-128对通信加密

  35. 应用层 • 应用支持层维持器件的功能属性 • 应用支持层发现该器件工作空间中其他器件的工作 • 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

  36. ZigBee与其他无线标准的对比

  37. 内容 • 无线通信基础 • 现代无线通信标准 • ZigBee网络标准 • ZigBee开发平台和产品

  38. ZigBee开发平台(1) • Chipcon CC2420开发平台 • 全球首个ZigBee收发器CC2420 • 仅支持2.4GHz • 支持RS232/USB接口开发

  39. ZigBee开发平台(2) • Microchip: PICDEM Z 演示平台 • PIC控制器＋CC2420收发器 • 仅支持2.4GHz频带 • 支持RS232/Ethernet接口开发

  40. ZigBee开发平台(3) • NEC开发平台 • 78K0/K1控制器＋CC2420收发器 • 仅支持2.4GHz频段 • 支持USB接口开发

  41. ZigBee开发平台(4) • Helicomm: EZ-Net DevKit • 支持2.4GHz和915MHz应用 • 支持AT指令或通用的RS232串口

  42. ZigBee开发平台(5) • Helicomm新型RF/MCU的ZigBee无线模块 (2005年5月) • 将传统的RF和MCU分立模块组合在一起 • Freescale的RF 和MCU器件 ＋ Helicomm的无 线模块设计 ＝＝＝＝＝＝＝＝

  43. ZigBee产品(1) • 日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络实验机 (2005年1月） • 目的： • 测定ZigBee电波传播特性 • 测定太阳能电池供电性能 • 测定移动装置定位性能 • 推进利用ZigBee构筑无所不在的传感器网络

  44. ZigBee产品(1)

  45. ZigBee产品(2) • OKI的ZigBee生物传感器节点(2005年2月) • 应用在医院等医疗单位 • 患者实时身体状况信息通过ZigBee网络传送给医生或护理师

  46. ZigBee产品(3) • 日立的压力检测传感器(2004年12月) • 用于大型机械和建筑物的安全监控 • 支持ZigBee规格，通信距离达100米 • 每5分钟通信一次，1节5号锂电池可工作3年以上

  47. ZigBee产品(4) • 三菱的ZigBee无线传感器(2004年10月) • 尺寸：5.4cm x 4.4cm x 0.8cm • 传感器模块配备温度、湿度、加速度、光照度、紫外线、人体感应及声压传感器 • 用于家庭保安系统

  48. ZigBee产品(5) • 韩国 Pantech&Curitel 手机(2004年12月) • 全球第一个内嵌ZigBee模块手机 • 可实现对家庭电灯、电脑的开关和对湿度、温度的控制

  49. ZigBee产品(6) • Lusora垂饰(2005年2月) • 专为老人提供居家安全保障 • 内嵌照相机、加速计、各类传感器和收发器 • 配合家居其他ZigBee传感器网络

  50. ZigBee产品(7) • 菲利普楼宇无线照明控制 • 照明开关＋光暗控制 • 可根据光线亮度自动调节 • 网络可随意增添传感器

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