Zigbee无线通信技术详解详解.ppt

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1、一、一、Zigbee技术简介技术简介一、什么是一、什么是Zigbee？Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳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以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线无线”的的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低沟通。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，亦包含此复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。寓意。ZigBee联盟成立于联盟成立于2001年年8月，月，2002年下

2、半年年下半年，英国，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托公司、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，这一事件成为联盟，这一事件成为ZigBee技术的里程碑。技术的里程碑。到目前为止，加盟到目前为止，加盟ZigBee联盟的不仅仅只有当初的四联盟的不仅仅只有当初的四大公司，而是涵盖了大公司，而是涵盖了IT领域以及其它行业的领域以及其它行业的150多家多家企业。企业。一、一、Zigbee技术简介技术简介二、二、ZigBee技术特点技术特点 ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据

3、速率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；、低成本、低复杂度的无线网络技术；ZigBee 采取了采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层强有力的无线物理层所规定的全部优点所规定的全部优点 ：省电、简单、：省电、简单、 成本又低的规格成本又低的规格；ZigBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用层；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

4、；自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析一、一、ZigBee 频带和数据传输率频带和数据传输率二、短程无线网络标准二、短程无线网络标准三、无线网络标准的比较三、无线网络标准的比较四、四、zigbee 技术优势技术优势五、五、Zigbee 物理信道物理信道六、六、Zigbee 协议栈协议栈七、七、ZigBee 网络拓扑结构网络拓扑结构八、八、ZigBee 网络设备类型网络设备类型九、九、Zigbee 抗干扰能力抗干扰能力十、十、ZigBee 可靠链路可靠链路二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析一、一、ZigBee 频

5、带和数据传输率频带和数据传输率ZigBee 无线可使用的频段有无线可使用的频段有 3 个，分别是个，分别是 2.4GHz 的的 ISM 频频段、欧洲的段、欧洲的 868MHz 频频 段、以及美国的段、以及美国的 915MHz 频段，而不频段，而不同频段可使用的信道分别是同频段可使用的信道分别是 16 、 1 、 10 个；个；ZigBee 在中国采用在中国采用 2.4G 的的 ISM 频段，是免申请和免使用费频段，是免申请和免使用费的频率，在的频率，在 2.4G 的频段上的频段上 具有具有 16 个信道，带宽为个信道，带宽为 250K。 二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析

6、二、短程无线网络标准二、短程无线网络标准ZigBee 和和 802.15.4 标准都标准都适合于低速率数据传输，最适合于低速率数据传输，最大速率为大速率为 250K，与其他无线，与其他无线技术比较，适合传输距离相技术比较，适合传输距离相对较近；对较近；ZigBee 无线技术适合组建无线技术适合组建 WPAN 网络，就是无线个人网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集设备的联网，对于数据采集和控制和控制 信号的传输是非常合信号的传输是非常合适的。适的。ZigBee 技术的应用定位是技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。和低成本应用。二、二、Zigbee技

7、术特性和性能分析技术特性和性能分析三、无线网络标准的比较三、无线网络标准的比较ZigBee 无线的传输带宽在无线的传输带宽在 20-250KB/s 范围，适合传感器数据范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；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个，具有非常强大的组网优 势；势； ZigBee 技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析四、四、zigbee 技术优势技术

8、优势低功耗。在低耗电待机模式下低功耗。在低耗电待机模式下,2 节节5 号干电池可支持号干电池可支持1个个节点工作节点工作624个月个月,甚至更长。这是甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比的突出优势。相比较较,蓝牙能工作数周、蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。可工作数小时。低成本。通过大幅简化协议低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的不到蓝牙的1/10) ,降低了对降低了对通信控制器的要求通信控制器的要求,按预测分析按预测分析,以以8051的的8位微控制器测算位微控制器测算,全功全功能的主节点需要能的主节点需要32KB代码代码,子功能节点少至子功能节点少至4KB代码代码,而且而且Zigb

9、ee免协议专利费。每块芯片的价格大约为免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。美元。低速率。低速率。Zigbee工作在工作在20250 kbps的较低速率的较低速率,分别提分别提供供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。满足低速率传输数据的应用需求。近距离。传输范围一般介于近距离。传输范围一般介于10100 m 之间之间,在增加在增加RF 发射功率后发射功率后,亦可增加到亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间

10、通信的接力如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。传输距离将可以更远。二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析短时延。短时延。Zigbee 的响应速度较快的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状一般从睡眠转入工作状态只需态只需15 ms ,节点连接进入网络只需节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能进一步节省了电能。相比较。相比较,蓝牙需要蓝牙需要310 s、WiFi 需要需要3 s。高容量。高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构可采用星状、片状和网状网络结构,由一由一个主节点管理若干子节点个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理最多一个主节

11、点可管理254 个子节点个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成最多可组成65000 个节个节点的大网。点的大网。高安全。高安全。Zigbee 提供了三级安全模式提供了三级安全模式,包括无安全设定、包括无安全设定、使用接入控制清单使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标防止非法获取数据以及采用高级加密标准准(AES 128) 的对称密码的对称密码,以灵活确定其安全属性。以灵活确定其安全属性。免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频频段段,2. 4 GHz (全球全

12、球) 、915 MHz(美国美国) 和和868 MHz(欧洲欧洲) 。二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析五、五、Zigbee 物理信道物理信道ZigBee 在在 2.4G 的频段上具有的频段上具有 16 个信道，从个信道，从 2.405GHz 2.480GHz 间分布，信道间隔间分布，信道间隔 是是 5M，具有很强的信道抗串扰能力。具有很强的信道抗串扰能力。 二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析六、六、Zigbee 协议栈协议栈ZigBee 采取了采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全强有力的无线物理层所规定的全部优点部优点Z

13、igBee 增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产增加了逻辑网络、网络安全和应用软件，更加适合于产品技术的一致化，利于产品技术的一致化，利于产 品的互连互通；品的互连互通；ZigBee 继续与继续与 IEEE 紧密结合，以保证向市场提供一种完整的紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方案。集成解决方案。 二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析七、七、ZigBee 网络拓扑结构网络拓扑结构ZigBee 技术具有强大的组网技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型能力，可以形成星型、树型和和 MESH 网状网，可以根据网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的实际项

14、目需要来选择合适的网络结构；网络结构；MESH 网状网络拓扑结构的网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络网络具有强大的功能，网络可以通过可以通过“多级跳多级跳”的方式的方式来通信；来通信； 该拓扑结构还可以该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；还具备自组织、自愈功能；星型和族树型网络适合点多星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用多点、距离相对较近的应用。星型星型MeshMesh网状网网状网簇状网簇状网网络协调网络协调器器全功能设备全功能设备 （FFD FFD ，RouterRouter）精简功能设备精简功能设备（ RFD RFD

15、） 二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析八、八、ZigBee 网络设备类型网络设备类型网络协调器：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（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

16、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。二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析九、九、Zigbee抗干扰能力抗干扰能力ZigBee 在物理层采用高处理增益的直序在物理层采用高处理增益的直序/频率快变频率快变 DS/FA 技术（技术（Direct Sequence / Frequency Agility）；）；Zi

17、gBee 的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强；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；个已知干扰源或信号源来的影响的能力；二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析实验证明实验证明 IEEE 802.15.4/ZigBee 的误码率，特别是在信噪比为的误码率，特别是在信噪比为 4dB 的情况下可达到的情况下可达到 10 -9 ； 达到同样误码率，蓝牙达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达信噪比要达 16dB，802

18、.11b 要达要达 10dB，Zigbee 的抗干扰性能的抗干扰性能明显高于蓝牙和明显高于蓝牙和 WLAN 技术。技术。 二、二、Zigbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析十、十、ZigBee 可靠链路可靠链路物理层物理层 RF 通信链路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 freshness二、二、Zi

19、gbee技术特性和性能分析技术特性和性能分析通信可靠机制通信可靠机制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

20、 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。三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围一、适合一、适合ZigBee 传输的数据类型传输的数据类型二、适合二、适合 ZigBee 技术的应用场合技术的应用场合三、三、Zigbee技术典型应用技术典型应用三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围一、适合一、适合ZigBee 传输的数据类型传输的数据类型周期性数据：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间断性数据工业控制命令、远程网络

21、控制、家用电器控制反复性低反应时间数据反复性低反应时间数据如鼠标键盘数据、操作杆的数据三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围二、适合二、适合 ZigBee 技术的应用场合技术的应用场合设备成本低、传输数据量小设备成本低、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仅仅用于监测或控制三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围三、三、Zigbee技

22、术典型应用技术典型应用1、结合、结合 Zigbee 和和 GPRS 的无线数据传输的无线数据传输 2、医疗监控系统、医疗监控系统3、无线点餐系统、无线点餐系统4、智能交通控制系统、智能交通控制系统三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围1、结合、结合 Zigbee 和和 GPRS 的无线数据传输的无线数据传输三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围系统概述系统概述利用 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

23、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 三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围2、医疗监控系

24、统、医疗监控系统系系 统统 概概 述述利用 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。系系 统统 应应 用用医院医疗监护医疗仪器数据采集三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围3、智能交通控制系统、智能交通控制系统图一无线交通信号控制图一无线交通信号控制 图二图二

25、Zigbee 远程交通控制远程交通控制三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围系系 统统 概概 述述采用 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。系系 统统 应应 用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三、三、Zigbee技术应用范围技术应用范围4、无线点餐系统、无线点餐系统系系 统统 概概 述述餐厅 ZigBee 无线节点网络，通过在餐厅、吧台、厨房、收银台、

26、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 ZIGB

27、EE 无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。系系 统统 应应 用用餐厅无线点餐系统茶楼、咖啡馆、网吧、KTV 娱乐场所呼叫系统四、小结四、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。29