1、1,1,Zigbee无线通信技术,一、Zigbee技术简介二、Zigbee技术特性和性能分析三、Zigbee技术应用范围四、小结,2,一、Zigbee技术简介,一、什么是Zigbee？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
2、，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。,3,一、Zigbee技术简介,二、ZigBee技术特点 ZigBee 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； ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点 ：省电、简单、 成本又低的规格；ZigBee 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
3、；,4,二、Zigbee技术特性和性能分析,一、ZigBee 频带和数据传输率 二、短程无线网络标准 三、无线网络标准的比较 四、zigbee 技术优势 五、Zigbee 物理信道 六、Zigbee 协议栈 七、ZigBee 网络拓扑结构 八、ZigBee 网络设备类型 九、Zigbee 抗干扰能力 十、ZigBee 可靠链路,5,二、Zigbee技术特性和性能分析,一、ZigBee 频带和数据传输率ZigBee 无线可使用的频段有 3 个，分别是 2.4GHz 的 ISM 频段、欧洲的 868MHz 频 段、以及美国的 915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是 16 、 1 、 10
4、 个； ZigBee 在中国采用 2.4G 的 ISM 频段，是免申请和免使用费的频率，在 2.4G 的频段上 具有 16 个信道，带宽为 250K。,6,二、Zigbee技术特性和性能分析,二、短程无线网络标准,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。,7,二、Zigbee技术特性和性能分析,三、无线网络标准的比较Zig
5、Bee 无线的传输带宽在 20-250KB/s 范围，适合传感器数据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 65535 个，具有非常强大的组网优 势； ZigBee 技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。,8,二、Zigbee技术特性和性能分析,四、zigbee 技术优势 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624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。 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
6、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。 低速率。Zigbee工作在20250 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。近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 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。,9,二、Zigbee技术特性和性能分析,短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转
7、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310 s、WiFi 需要3 s。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。 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。 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
8、 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。,10,二、Zigbee技术特性和性能分析,五、Zigbee 物理信道ZigBee 在 2.4G 的频段上具有 16 个信道，从 2.405GHz 2.480GHz 间分布，信道间隔 是 5M，具有很强的信道抗串扰能力。,11,二、Zigbee技术特性和性能分析,六、Zigbee 协议栈ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点 ZigBee 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 品的互连互通； ZigBee 继续与 IEEE 紧密结合，以保证向市场提供一种完整的集成解决方
9、案。,12,二、Zigbee技术特性和性能分析,七、ZigBee 网络拓扑结构 ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和 MESH 网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构； 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； 星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。,星型,Mesh网状网,簇状网,网络协调器,全功能设备 （FFD ，Router）,精简功能设备 （ RFD ）,13,二、Zigbee技术特性和性能分析,八、ZigBee 网络设备类型 网络协调
10、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（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
11、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。,14,二、Zigbee技术特性和性能分析,九、Zigbee抗干扰能力ZigBee 在物理层采用高处理增益的直序/频率快变 DS/FA 技术（Direct Sequence / Frequency Agility）； ZigBee 的处理增益最大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也最强； ZigBee 具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力；,15,二、Zigbee技术特性和性能分析,实验证明 I
12、EEE 802.15.4/ZigBee 的误码率，特别是在信噪比为 4dB 的情况下可达到 10 -9 ； 达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达 16dB，802.11b 要达 10dB，Zigbee 的抗干扰性能明显高于蓝牙和 WLAN 技术。,16,二、Zigbee技术特性和性能分析,十、ZigBee 可靠链路 物理层 RF 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 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
13、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,17,二、Zigbee技术特性和性能分析,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 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
14、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 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。,18,三、Zigbee技术应用范围,一、适合ZigBee 传输的数据类型 二、适合 ZigBee 技术的应用场合 三、Zigbee技术典型应用,19,三、Zigbee技术应用范围,一、适合ZigBee 传输的数据类型周期性数据： 传感器数据、水电气表数据、仪器仪表数据 间断性数据 工业控制命令、远程网络控制、家用电器控制 反复
15、性低反应时间数据 如鼠标键盘数据、操作杆的数据,20,三、Zigbee技术应用范围,二、适合 ZigBee 技术的应用场合设备成本低、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 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，但仅仅用于监测或控制,21,三、Zigbee技术应用范围,三、Zigbee技术典型应用1、结合 Zigbee 和 GPRS 的无线数据传输 2、医疗监控系统 3、无线点餐系统 4、智能交通控制系统,22,三、Zigbee技术应用范围,1、结合 Zigbee 和 GPRS 的无线数据传输,23,三、Zigbee技术应用范
16、围,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
17、 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 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,24,三、Zigbee技术应用范围,2、医疗监控系统 系 统 概 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 ZIGBE
18、E 无线网络，是个通信非常可靠的网络结构。 系 统 应 用 医院医疗监护 医疗仪器数据采集,25,三、Zigbee技术应用范围,3、智能交通控制系统图一无线交通信号控制 图二 Zigbee 远程交通控制,26,三、Zigbee技术应用范围,系 统 概 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 统 应 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,27,
19、三、Zigbee技术应用范围,4、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；
20、 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,28,四、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。,29,29,THATS ALL,THANK YOU,
