低功耗ZigBee技术概述.ppt

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1、低功耗低功耗ZigBee模块研究模块研究汇报人：张聂日期：2016/11/9E211E211主要内容主要内容ZigBee技术特点技术特点 ZigBee与其他无线通信技术的比较与其他无线通信技术的比较ZigBee节点能耗分析节点能耗分析ZigBee网络低功耗研究网络低功耗研究 五五二二三三四四E211E211ZigBee的定义和现状的定义和现状 一一ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，

2、所以它们的通信效率非常高。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人局域网（PAN，Personal Area Network)工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。一 ZigBee的定义和发展的定义和发展 定义发展2005年ZigBee联盟选择德国莱茵TUV集团作为唯一的全世界无线实验室测试ZigBee技术产品的代表，在世界各地提供ZigBee联盟认可的商标认证和一致性平台测试服务。2012年4月，ZigBee联盟正式推出了ZigBee Light Link,该ZigBee应用标准专门为照明应用而设计，定义了一种先进的灯控应用信

3、息传递协议，同时纳入了一种简单的配置机制，使消费者能够开箱即用，极大的推动了智能家居的发展。目前我国ZigBee技术的产业链已经基本成型。芯片达批量生产阶段,Chipcon、Freescale等公司纷纷推出ZigBee解决方案,其中Atmel与Chipcon已开发出ZigBee单芯片，二者都是选用全球通用的2.4GHz频道，其他厂商如Ember搭配Atmel及NEC搭配Chipcon芯片，已完成开发套件，能够提供系统厂商整合方案。目前企业正积极开发四大ZigBee应用市场，分别为家庭与楼宇自动化、消费电子、自动读表与其他方面，包括工业自动化、监控检测、医疗、幼儿监护、物流管控、低温连锁管理与农

4、业监控等。1.低功耗这是ZigBee技术最重要的特点。由于ZigBee的传输速率相对较低,发射功率较小,使得ZigBee设备很省电,这是ZigBee技术能够广泛应用的基石。2.低成本由于ZigBee芯片是基于8051单片机内核的,每片芯片的成本约为2美元,且ZigBee网络协议免费提供,使用户缩短了开发周期,降低了开发成本。3.时延短ZigBee针对时延要求短的应用进行了优化,一般搜索设备的时延低于30ms,节点从休眠模式中激活的时延小于15ms,信道的接入时延小于15ns4.网络容量大ZigBee网络可以选用三种不同的拓扑结构,分别是:星型、树型和网状网。ZigBee网络最多可以构成6500

5、0个节点的网络。5.工作频段灵活ZigBee有三个相距较大的ISM频段,分别是2.4GHz频段、915MHz频段和868MHz频段。6.低速率ZigBee技术专注于低速率的应用,三个频段中最高数据传输速率也只有250Kb/s。二 ZigBee技术特点 7.安全的数据传输ZigBee支持三种安全模式,可釆用高级加密标准(AES)的对称密码和公开密钥,为数据传输安全提供了保障。ZigBee技术与Bluetooth的比较。与ZigBee技术一样,蓝牙也采用全世界通用的2.4GHz ISM频段,随着手机、平板等移动设备的普及,蓝牙技术也得到了快速的发展。但蓝牙的传输距离一般在10m以内,且一个主设备最

6、多只能与7个从设备进行通信,这极大的限制了蓝牙技术的适用环境。而ZigBee技术以其较远的传输距离和多级路由组网的技术使整个网络得到延伸,克服了蓝牙信号传输距离过短的缺点。而且ZigBee协议的复杂程度远远低于蓝牙协议,ZigBee芯片成本也更低廉,使ZigBee产品的生产和开发成本得到了很好的控制。因此,ZigBee技术在无线传感器网络应用方面更适合于蓝牙技术。三 ZigBee与其他无线通信技术的比较ZigBee技术与Wi-Fi的比较。Wi-Fi可以将个人电脑、手机、平板等终端设备以无线方式互相连接到一起,其传输速率可达到54Mb/s,覆盖的半径也能达到100米,有效的解决了用户最后100米

7、的通信需求。但与此同时带来的是较高的功耗,所以Wi-Fi设备一般要求接通电源或者带有容量较大的电池,这限制了其在工业领域的推广。而低功耗正是ZigBee技术最重要的特点,多种电源管理模式使ZigBee设备非常省电,为其在大规模无线网络里面的应用提供了可能。ZigBee与NFC的比较。NFC是非接触式射频识别(RFID)演变而来的,由诺基亚、飞利浦和索尼共同研发。它是一种高频的短距离无线电技术,以其超低的功耗和较高的保密性,被广泛的应用到了手机等移动消费产品中。但与ZigBee技术相比,其一对一通信的特点和超近的适用距离不适合无线传感器网络。ZigBee与UWB的比较。UWB无线通信技术是一种不

8、用载波,而采用脉冲进行通信的技术,其能在较宽的频谱上传输极低功率的信号,且传输速率在10米内速率可达到数百Mb/s甚至数Gb/s。UWB早期被用于近距离高速数据传输,近年来开始利用其亚纳秒超级脉冲做室内的精确定位。但其较高的功耗和硬件成本不适合于无线传感器网络,可以与ZigBee技术互补合作,组成共同的网络,进行无线监控。在IC工艺得到很大提升的今天,处理器芯片和传感器芯片的功耗已经十分低了,传感器的主要能耗集中在无线通信上面。与普通传感器网络相同,在ZigBee网络中,能耗也主要集中在处理器和通信模块，如图所示：四 ZigBee节点能耗分析节点能耗分析所以在进行低功耗设计时,应重点考虑处理器

9、和通信模块的低功耗硬件设计,尽量减少节点的通信次数,降低每次通信时产生的功耗,在节点进入空闲时及时进入休眠,使节点的功耗降到最低。五 ZigBee网络低功耗研究元器件选型进行低功耗硬件设计时,应首先通过选择低功耗的芯片来降低节点能耗。TI公司提供的CC2530片上系统解决方案,CC2530芯片使用的是8051CPU内核,工作电压为2-3.6V。与上一代SOC芯片CC2430相比,CC2530芯片封装更小,具备最大256KB闪存,外围电路简单,具有电源管理功能,能够工作在不同的供电模式下,实现低功耗设计要求。此外,CC2530还改进了RF性能,具有良好的抗干扰能力且CC2530使用的ZigBee

10、2007/PRO协议栈是TI公司免费开放使用的,使软件开发成本得到降低。选用低功耗的稳压芯片,HT7333-A是用CMOS技术开发的稳压芯片,具有压差低、输出电压稳定、超低功耗等特点。工作电流为1mA时压差仅为5mV,加以最大工作电压时,无负载工作电流仅为2.5uA。ZigBee节点模块化设计节点在整个网络中的职责是对数据进行采集、处理和发送,在对其进行设计时应从以下几点进行考虑：(1)低功耗。节点一般由电池供电,所拥有的能量有限,能耗过高会使节点的能量很快用完而使整个系统的寿命变短，所以功耗问题是首先考虑的重点问题。(2)低成本。在将ZigBee技术应用到传感器网络等商业项目中时,由于节点分

11、布范围广,数量巨大,节点的成本问题也成了必须考虑的一个重要问题。(3)微型化。节点的体积应该尽量的小,微型化的节点不但功耗低而且在进行扩展开发时能适用更多的场合。(4)可扩展性。不同的场合,节点的任务不同,使节点具有很好的扩展性能够方便开发者进行扩展,节省开发时间和成本。硬件设计低功耗从元器件选型和最重要的ZigBee模块两个方面对节点硬件低功耗进行设计。ZigBee节点硬件结构如图:五 ZigBee网络低功耗研究低功耗ZigBee节点软件设计软件的低功耗设计是节点低功耗设计的重要组成部分,从以下几个方面进行软件的低功耗设计:(1)合理的优化代码。对代码进行合理的优化能够降低代码运算和空间复杂

12、度。采用合适数据类型,如尽量少使用32位数据类型,使用有符号整形变量等,都能够降低代码的平均功耗。(2)适当的减少通信流量。减少通信流量的方法有:对本地数据进行处理,判断错误的数据信息并丢弃,减少通信量;对数据包进行压缩,减少无用的信息尽量避免通信堵塞冲突的产生,通信堵塞会引起数据重传,加大节点功耗,严重的话会引起网络通信量过大而瘫痪。(3)选择合适的睡眠模式和时间。节点通信模块的能耗与其选择的工作模式有关,从之前的分析可以看出,节点在进行通信时能耗最高,而进入睡眠眠模式时能耗最低,所以在节点进入空闲时及时的进入睡眠能有效的降低节点功耗。(4)选择合理的发送功率。在网络分布比较密集的情况下,通

13、过获取节点间的通信质量来选择合理的发送功率,使节点的功耗进一步降低。Zigbee协议组网在zigbee网络中，不同的节点有不同的分工，根据其工作特性，可以分为以下几类：1）协调者：它是一个FFD节点，负责整个网络的管理工作。每个网络中有只有一个协调者。它具有以下几个功能：选择所用网络的信道；从协调者开始，启动网络；分派网络地址；允许其他设备加入或者退出其网络；保存邻接表和路由信息；传输应用数据包；2）路由节点（rooter）：它是一个FFD节点，一般被应用于树形或者Mesh拓扑结构中扩大网络覆盖量。它用于去找到从源点到终点的一条最佳路径来传输信息。路由节点除了不能建立网络之外，和协调者相比较类

14、似。3）终端设备（Enddivice）：它是一个RFD节点，被用于连接到路由节点或者协调者。终端节点完成以下2个任务：加入或者离开网络；传输应用数据包；4）Zigbee信任中心（ZigBeetrust centre）：它提供安全管理、安全密钥分配和设备认证。5）网关（ZigbeeGateway）：连接zigbee网络和其他网络，例如局域网。Zigbee开发环境一般选择破解版的IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作为 Zigbee开发的IDE。以及安装Ti的Zigbee协议栈。ZigBee协议栈基于标准的OSI(Open System Intercon

15、nection)七层模型，但只是在相关的范围来定义一些相应层来完成特定的任务。IEEE8021542003标准定义了下面的两个层：物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。ZigBee联盟在此基础上建立了网络层(NWK层)以及应用层(APL层)的框架(framework)。APL层又包括应用支持子层(ApplicationSupport Sublayer，APS)、ZigBee的设备对象(ZigBeeDevice 0bjects。ZD0)以及制造商定义的应用对象。Zigbee与其他无线网络标准的比较IEEE 802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上，分别是用于欧洲

16、的868MHz频带，用于美国的915MHz频带，以及全球通用的2.4GHz频带，但这三个频带的物理层并不相同，它们各自的信道带宽分别是0.6MHz,2MHz和5MHz，分别有1个，10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别，虽然都使用了直接序列扩频(DSSS)的方式，但从比特到码片的变换方式有比较大的差别;调制方面都使用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图(如图1)，可以看到物理层部分非常简单，而IEEE 802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们

17、会担心它的性能，但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比较(如图2)，在同样比特信噪比的情况下，IEEE 802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果，同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下，Bluetooth通常能有10m作用范围，而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到3050m作用距离，在室外如果障碍物较少，甚至可以达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来，IEEE 802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面，我们可以看到IEEE 802.15.4的数据速率并不高，对于2.4GHz频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。ZigBee模块 HT7333-A采用TO-92或SOT-89封装，输入电压最高12V,输出电压3.3V，最大输出电流250mA，输出电压精度公差3%。Thank You!