1、2019/11/18,1,ZigBee基础知识,2019/11/18,2,Contents,2019/11/18,3,ZigBee简介,ZigBee这个字源于蜜蜂群发现食物源的时候，通过跳“之”字形的舞蹈（Zig舞）在同伴中传递信息，以到达彼此沟通讯息的目的，故以此做新一代无线通讯技术的命名。ZigBee技术是一种结构简单、低成本、低功耗、低速率和可靠性高的短距离无线通信新技术。ZigBee的网络标准由IEEE 802.15工作组负责制定，被称作802.15.4(ZigBee)技术标准。,2019/11/18,4,ZigBee简介,2019/11/18,5,ZigBee发展历史,近年来，各种无
2、线通信技术迅猛发展，极大的提高了人们的工作效率和生活质量。然而，在日常生活中，我们仍然被各种电缆所束缚，我们思考能否在近距离范围内实现各种设备之间的无线通信?纵观目前发展较成熟的无线通信技术，这些技术比较复杂，耗费资源多，成本较高，并不适用于短距离无线通信的场合。1999年蓝牙技术走向应用，但因芯片价格高，功耗高，协议较复杂，厂商支持力度不够，传输距离限制以及抗干扰能力差等特点而发展缓慢，蓝牙技术不适用于要求低成本、低功耗的工业控制和家庭网络。低功耗、低成本的无线网络需求促使ZigBee应运而生。,2019/11/18,6,ZigBee发展历史,2000年12月IEEE(美国电子和电气工程师协
3、会)成立了802.15.4工作组，致力于开发低成本、低功耗和低速率的无线连接技术。 2001年8月，美国发起成立ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认为IEEE 802.15.4标准。 2003年5月，IEEE 802.15.4标准获得通过。 目前ZigBee联盟在全球有300多个成员公司(包括日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体公司、我国华为公司等)。,2019/11/18,7,ZigBee技术特点,低速率：数据传输速率只有20250kb/s，分别提供250kb/s(2.4GHz)，40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低
4、速率的传输数据的应用需求。 低功耗：在低功耗待机模式下，2节普通5号电池可使用624月，这也是ZigBee的支持者一直引以为豪的独特优势。 低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；并且ZigBee协议免收专利费。ZigBee网络节点模块一般在1000元以下，而主要使用的网络子节点价格可降到100元以下。 容量大：ZigBee网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理254个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，可组成65000个节点的大型网络 时延短：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms
5、。相对而言，蓝牙需要310s，WiFi需要3s。这样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。,2019/11/18,8,ZigBee技术特点,近距离：传输范围一般介于10100m之间，能覆盖普通的家庭和办公场所，在增加RF发射功率后，可增加到13KM。安全高：ZigBee提供了三级安全模式，保证安全性。可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据
6、传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可进行重发。,2019/11/18,9,ZigBee与802.15.4标准,ZigBee是IEEE 802.15.4的扩展。ZigBee不仅只是802.15.4的名字，IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行标准化。ZigBee联盟还开发了安全层。,2019/11/18,10,ZigBee协议层作用,物理层,MAC层,网络/安全层,支持/应用层,作用：,作用：,作用：,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,作用：,物理层是协议的最底层，承付着和外界直接
7、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。,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。,2019/11/18,11,ZigBee含义,ZigBee三种含义：这三种含义是三位一体的关系，联盟是协议和技术的主要开发者；协议犹如社会法律、交通的规则，联盟和技术都要遵守；技术是联盟的和协议的载体和具体表现。总而言之：三者是一个整体的三个方面。 1. ZigBee联盟 ZigBee联盟2002年成立，现超过300多个成员单位。 联盟使命：为可靠，低价、低功率无线联网的监控产品建立开放的全球标准。
8、 联盟目标：通过给日常设备注入无线能力和智能，简化使用，极大的提供灵活性和移动性。 联盟工作：（1）制定网络层、安全和应用层标准（网络七层OSI模型要熟记） （2）提供互操作和兼容性测试规范 （3）推广ZigBee品牌，提升市场感知度 （4）技术演进2. ZigBee协议 协议，标准也！ZigBee协议即ZigBee标准体系。主要指ZigBee的软件部分3. ZigBee技术 ZigBee是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。主要指ZigBee的硬件部分,2019/11/18,12,ZigBee技术优势,数据传输速率低：10kb/s250kb/s，专注于低速率传输应用。 低功耗：在低功
9、耗待机模式下，2节普通5号电池可使用624月。 低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。每块ZigBee芯片价格大约2美元。 容量大：网络可容纳65500个设备。 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为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）保证安全性。 工作频段灵活：使用频段2.4GHz,868MHz(欧洲)和915MHz（美国）均免执照的频段。,2019/11/18,13,ZigBee应用场合,消费性电子设备：
10、电视、DVD、CD机等电器的远程遥控（含ZigBee功能的手机就可以支持主要遥控器功能）。 PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等。 工业控制：利用传感器和ZigBee网络使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。 医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等。 交互式玩具。,2019/11/18,14,基于ZigBee技术的远程抄表系统,ZigBee三表抄表系统单元楼结构图 每幢楼的水电煤三表通过RS485总线连接数据采集器，在连接到ZigBee远端节点。 每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点，负责数据收发或作路由器。 ZigBee远端节点上传到ZigBee中心节点。,2019/11/1
11、8,15,ZigBee小结,ZigBee是一种新兴的短距离，低速率无线网络技术。ZigBee技术和RFID技术在2004年被列入当今世界发展最快。市场前景最为广阔的十大最新技术中的二个。今后若干年都将是ZigBee技术飞速发展的时期。,2019/11/18,16,一、无线通信发展的现状,几种无线通信技术,融合构建一个全空间的无线网络,2019/11/18,17,一、无线通信发展的现状,几种无线通信技术,Zigbee,2019/11/18,18,一、无线通信发展的现状,几种无线通信技术,蓝牙,WiFi,WiMax,WiMax,2019/11/18,19,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Ra
12、dio Frequency Identification),可以识别单个的非常具体的物体，而不是像条形码 那样只能 识别一类物体,其采用无线电射频，可以透过外部材料读取数据， 而条形码必须靠激光来读取信息,可以同时对多个物体进行识读，条形码只能一个一 个地读。,2019/11/18,20,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio Frequency Identification),2019/11/18,21,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio Frequency Identification),2019/11/18,22,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio
13、Frequency Identification),2019/11/18,23,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio Frequency Identification),2019/11/18,24,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio Frequency Identification),应用前景,2019/11/18,25,二、各种无线通信的特点,1.RFID(Radio Frequency Identification),应用前景,2019/11/18,26,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术,英文：Bluetooth 代表一种短距离无线通信技术,“蓝牙”（Blue
14、tooth）一词是一位丹麦国王的名字，在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。,用“蓝牙”他的名字来命名这种短距离无线通信 的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。通过这种技术，可以将电子装置彼此通过无线连接起来，省去了传统的电线。,2019/11/18,27,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),2019/11/18,28,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),2019/11/18,29,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),美国德州仪器（TI）公司推出了单片蓝牙LSI。该产品将蓝牙的基带处理电路和RF收发器电路
15、集成到一个CMOS LSI中。到目前为止只有英国CSR公司和美国Broadcom公司在研究这种LSI，TI首先实现了此类芯片的单片产品化。,2019/11/18,30,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),采用四种工作模式，其最大消耗电流只有25mA,2019/11/18,31,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),音频蓝牙发送,蓝牙耳机,2019/11/18,32,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),2019/11/18,33,二、各种无线通信的特点,2.蓝牙技术(Bluetooth),蓝牙适配器,2019/11/18,34
16、,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,“UWB”是超宽带无线技术的缩写。始于20世纪60 年代兴起的脉冲通信技术，主要用于军用雷达、定 位和通信系统中。UWB技术最早是利用频谱极宽的 超短脉冲进行通信。通信速度可以达到几百Mbit/秒 以上。,2019/11/18,35,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,2019/11/18,36,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,2019/11/18,37,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,现在的UWB技术含义不同于早期的UWB技术含义,2000年后，Intel、TI、Motorola等大公司开始
17、研发高速UWB技术时，放弃了脉冲方法，不约而同地转而采用传统的载波调制技术，进行改造使其具有UWB技术的特点，并推出了多频带OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA两大主要方案。OFDM（MB-OFDM）和DS-CDMA这两种方案经过几年激烈的竞争，2007年3月，ISO正式通过了WiMedia联盟提交的MB-OFDM标准，WiMedia联盟最终在标准上胜出，正式成为UWB技术的 第一个国际标准。,2019/11/18,38,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,2019/11/18,39,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,2019/11/18,40,二、各种无线
18、通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,UWB的应用,UWB技术的应用场景主要包括家庭、办公室、个人消费电子产品,UWB技术的高传输带宽可以实现主机和显示屏、摄像头、会议设备、终端设备及投影仪之间的无线互连。,2019/11/18,41,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,UWB的应用,由于UWB技术已经可以提供相当于计算机总线的传输速率，这样个人终端就可以从互联网或局域网上即时下载大量的数据， 因此将大部分数据存放在网络服务器的存储空间中，而不是保存在个人终端中。携带具有UWB功能的小巧终端，在任何地点都可以接入当地的UWB网络.。,无线UWB接口取代现有USB接口的线缆连接，将
19、成为UWB技术最有前途的应用。,2019/11/18,42,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,UWB的应用,2019/11/18,43,二、各种无线通信的特点,3 UWB（超宽带技术）,UWB的应用,2019/11/18,44,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,Internet,一个逻辑的网络,预加载信息的方式,C/S、B/S模式,2019/11/18,45,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,问题： 构建一个无处不在的、检测、控制真实世界的网络？,Zigbee技术提供了一种解决方案,2019/11/18,46,二、各种无线通信的特点,4.
20、Zigbee无线通信技术,主要用于构建无线个域网和无线传感网络,“Zig”的英文含义是“之字形” “Zag”的含义是“急转, 急变” “Zigzag”的含义是“之字形跳变” “bee”是“蜜蜂” “Zigbee”一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“Zigzag”形舞蹈来相互告知， 达到交换信息目的,2019/11/18,47,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,“ZigBee”被人们借来称呼一种新兴的近距离、低 复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络 技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技 术提案。主要用于近距离无线连接。,2019/11/18,48,二、各种
21、无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,基本情况,Zigbee联盟在IEEE802.15.4协议上定义了网络层和应用层而形成的,主要用于构建无线个域网和无线传感网络,速 率： 根据不同的工作频段，有不同的速率：16-250k,成 本： 每片Zigbee价格2美元,2019/11/18,49,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,特 点,距 离： 有效传输范围1075m,功 耗： 两节5号电池可供终端工作6个月以上,速 率： 250kb/s(2.4G) 40kb/s(915M) 20kb/s(868M),成 本： 每片Zigbee价格2美元,2019/11/18,50,二、
22、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,Internet,GPRS,2019/11/18,51,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,应 用,1. 监控照明。,Zigbee无线开关,2019/11/18,52,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,应 用,3.交通灯控制,Zigbee 节点,Zigbee协调器,控制逻辑,2019/11/18,53,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,应 用,3. 配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其它区域进行工业监控。,2019/11/18,54,二、各种无线通信的特点,4.Zigb
23、ee无线通信技术,应 用,4. 带负载管理功能的自动抄表(AMR)，这可使得地产管理公司削减成本和节省电气能源。,Zigbee 节点,2019/11/18,55,二、各种无线通信的特点,4.Zigbee无线通信技术,应 用,6. 对病患、设备及设施进行医疗和健康监控。,值班室,Zigbee节点,2019/11/18,56,二、各种无线通信的特点,5.WiFi无线通信技术,全称Wireless Fidelity，又称802.11b标准,与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用 的短距离无线技术,主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域， 通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为 76米
24、到122米，方便与现有的有线以太网络整合,2019/11/18,57,二、各种无线通信的特点,5.WiFi无线通信技术,2019/11/18,58,二、各种无线通信的特点,5.WiFi无线通信技术,Internet,应 用,Internet高速无线接入,WiFi无线路由器,在热点区把多台计算机互相链接，以及链接到外围设备和互联网,无线局域网 WLAN,2019/11/18,59,二、各种无线通信的特点,5.WiFi无线通信技术,应 用,3G无线线接入技术的补充,2019/11/18,60,二、各种无线通信的特点,5.WiFi无线通信技术,应 用,2019/11/18,61,二、各种无线通信的特
25、点,6. WiMAX无线通信技术,全称World Interoperability for Microwave Access， 即全球微波接入互操作性,是一种基于IEEE 802.16-2004标准的宽带无线技术,最初该技术的目的在于统一固定无线接入的空中接 口。基于802.16e的第二代WiMAX是支持移动特性 的标准。,2019/11/18,62,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,Sprint成为美国首家宣布将采用WiMax 技术构建4G 网络的主流手机运营商。,WiMAX建立在IP技术之上，顺应了宽度移动化发展 大势，有着众多其他无线通信技术所不具有的优势。,在理论上
26、，WiMAX能实现的50公里的信号传输距离 ，网络覆盖面积是3G发射塔的10倍。,WiMAX最高可以70M的接入速度，这个速度是3G所 能提供的宽带速度的30倍,2019/11/18,63,二、各种无线通信的特点,6. WiMax无线通信技术,2019/11/18,64,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,OFDM（正交频分复用）是一种多载波数字调制技术，它具有较 高的频谱利用率，且在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干 扰上具有明显的优势。 而OFDMA是利用OFDM的概念实现上行 多址接入，每个用户占用不同的子载波，通过子载波将用户分开。 OFDMA允许单个用户仅在部分子
27、载波发送，降低了对发送功率 的要求。,OFDM/OFDMA,2019/11/18,65,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大了系统的覆盖范围。在WiMAX技术的应用条件下（室外远距离），无线信道的衰落现象非常明显，WiMAX技术在链路层加入了HARQ机制，减少了到达网络层的信息差错，可大大提高系统的业务吞吐量。,HARQ混合自动重传要求,2019/11/18,66,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,由于AMC技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调
28、制方案，所以AMC技术必须根据WiMAX的技术特征来实现AMC功能。由于WiMAX物理层采用的是OFDM技术，所以时延扩展、多普勒频移、PAPR值、小区的干扰等对于OFDM解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到AMC算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。,AMC(自适应调制编码),2019/11/18,67,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,MIMO(多进多出),QoS机制,睡眠模式,2019/11/18,68,二、各种无线通信的特点,6. WiMAX无线通信技术,实现更远的传输距离,提供更高速的宽带接入,提供优良的最后一公里网络接入服务,提供多媒体通信服务,2019/11/18,69,二、各种无线通信的特点,6. WiMax无线通信技术,70Mbit/S,1050km的覆盖范围,数据、语音,图像、视频,2019/11/18,70,Thank You !,
