1、ZigBee概念及应用,2011年04月20日,ZigBee概念及应用,ZigBee概述ZigBee技术体系ZigBee应用领域ZigBee产品小结,ZigBee概述,ZigBee，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式：蜜蜂通过跳Zig-Zag 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置，距离和方向等资讯。,ZigBee概述,ZigBee技术发展历程 1.ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术。 2.2000年12月成立了工作小组起草IEEE 802.15.4标准 3.Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国In
2、vensys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四大巨头共同宣布加盟“Zigbee联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。,ZigBee概述,4.2004年12月ZigBee1.0标准(又称为ZigBee2004)敲定，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。 5.2005年9月公布ZigBee1.0标准并提供下载。在这一年里，华为技术有限公司和IBM公司加入了ZigBee联盟。但是基于该版本的应用很少，与后面的版本也不兼容。 6.2006年12月进行标准修订，推出ZigBee1.1版(又称为ZigBee20
3、06)。该协议虽然命名为ZigBee1.1，但是与ZigBee1.0版是不兼容的。,ZigBee概述,7.2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007/PRO)。能够兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此时ZigBee联盟更加专注于以下三个方面：1)、家庭自动化(Home Automation；HA)； 2)、建筑/商业大楼自动化(Building Automation；BA)； 3)、先进抄表基础建设(Advanced Meter Infrastructure；AMI)；,ZigBee概述,ZigBee 是一种开放式的基于IEEE 802.15.4
4、协定的无线个人局域网(Wireless Personal Area Networks)标准。 IEEE 802.15.4定义了物理层和媒体接入控制层，而ZigBee则定义了更高层如网路层及应用层等。,ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。早期也被称为 “HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee技术。,ZigBee概述,ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行) 和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40
5、kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内, 但可以继续增加 。,ZigBee概述,ZigBee具体如下技术特点：1. 低功耗由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为 1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。2. 低成本由于ZigBee模块的复杂度不高，ZigBee协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低。,ZigBee概述,3. 时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延
6、为15ms。4. 网络容量大一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。网状结构的ZigBee网络中可有65000多个节点。,ZigBee概述,5. 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。6. 安全ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用
7、可以灵活确定其安全属性。,ZigBee概述,ZigBee和其他两大主要无线网络科技的比较,ZigBee概述,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。,ZigBee概述,ZigBee联盟的部分会员,CompXs,ZigBee技术体系,ZigBee设备类型1. ZigBee协调器（Coordinator）2. ZigBee路由器（Router）3. ZigB
8、ee终端设备（End-device）一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。,ZigBee技术体系,ZigBee协调器（Coordinator）它包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的，存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、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信息并且不断的接收信息。一旦网络建立完成,这个协调器的作用就像路由器节点。,ZigBee技术体系,ZigBee路由器（Router）它执行的功能包括允许其它设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下电池供电终端的通信。通常,路由器全时间处在活动状态,因此为主供电。但是
9、在树状拓扑中,允许路由器操作周期运行,因此这个情况下允许路由器电池供电.。,ZigBee技术体系,ZigBee终端设备（End-device）一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任,所以它可以睡眠和唤配，看它自己的选择。因此它能作为电池供电节点。,ZigBee技术体系,ZigBee网络拓扑ZigBee支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(ClusterTree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。,ZigBee技术体系,星型,网状型,簇状型,网络协调器,全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普
10、通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信,精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。,ZigBee技术体系,ZigBee技术体系,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。,ZigBee网状（MESH）网络,ZigBee技术体系,1.Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。2.通过以上ZigBee Mesh结构图可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。3.协调器负责整个网
11、络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。4.构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).,ZigBee技术体系,ZigBee采用的路由算法ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住吓一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效
12、路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。AODV操作是无还回的，并避免了当Adhoc网络拓扑变化时快速收敛的无限计算问题（特别是当一个节点进入网络时）。,ZigBee技术体系,ZigBee协议架构ZigBee协议由应用层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由Zig-Bee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。,ZigBee技术体系,ZigBee协议栈模型,ZigBee技术体系,物理层功能： 1. 激活和休眠射频收发器； 2. 信道能量检测（energy detect）； 3. 检测接收数据包的链路质量指示（link qual
13、ity indication , LQI）； 4. 空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）； 5. 收发数据。,ZigBee技术体系,数据链路层功能： 1. 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步； 2. 支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作； 3. 支持无线信道通信安全； 4. 使用CSMA-CA机制访问信道； 5. 支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS） 机制； 6. 支持不同设备的MAC层间可靠传输。,ZigBee技术体系,网络层功能： 1.Zi
14、gBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZIgBee的MAC层（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。2.网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务；,ZigBee技术体系,3.网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。,ZigB
15、ee技术体系,应用会聚层功能： 该层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括： 1. 安全与鉴权 2. 多个业务数据流的会聚 3. 设备发现 4. 服务发现,ZigBee应用领域,ZigBee适应的应用场合,低速无线设备,工业、农业和商业,消费电子,个人 健康监护,玩具和游戏,家庭 自动化,PC 机的 外围设备,ZigBee应用领域,ZigBee技术的主要应用领域,消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域,ZigBee应用领域,结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络,ZigB
16、ee应用领域,基于ZigBee的油田油井遥测遥控无线通信,ZigBee应用领域,ZigBee技术在石油石化行业的应用,液化天然气罐远程监控,汽油管线的腐蚀监测,润滑油供应链,汽油管线侵入者监测,液化天然气容器跟踪,ZigBee应用领域,ZigBee技术在石油石化行业的应用,化工产品铁路槽车的远程信息处理,游船引擎震动监控,油罐车驾驶员安全措施,ZigBee应用领域,基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络,ZigBee应用领域,基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统,采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性。 每幢单元楼设置一个ZigBee远端节点 一个小区设置一个ZigBee
17、中心节点 ZigBee中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心,ZigBee应用领域,基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统,ZigBee应用领域,基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络,采用MESH网状网络结构，保证数据传输的可靠性 每个水文水利计量处设置一个ZIGBEE远端节点 一个区域监测点设置一个ZIGBEE中心节点 ZIGBEE中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到监测中心,ZigBee应用领域,ZigBee智能交通控制系统无线通信方案,ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-交通路口控制通信,ZigBee应用领域,ZigBee智能交通控
18、制系统无线通信方案,ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统-远程实时控制通信,ZigBee应用领域,医院对病患、监护设备及设施进行医疗和健康监控,借助于各种传感器和ZIGBEE网络，准确且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护治疗。,ZigBee应用领域,基于ZigBee技术的无线点餐系统通信解决方案,ZigBee产品,ZigBee产品 1.日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络实验机目的： 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
19、传感器网络,ZigBee产品,ZigBee产品,2.OKI的ZigBee生物传感器节点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,ZigBee产品,3.日立的压力检测传感器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,ZigBee产品,4.三菱的ZigBee无线传感器尺寸：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,ZigBee产品,5.韩国 Pantech&Curitel 手机全球第一个内嵌ZigBe
20、e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,ZigBee产品,6.Lusora垂饰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,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,小结,自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，影响了这些厂商的使用意愿。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
21、成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。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。 ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。能为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在数10米左右的低速连接。主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。 对于传送长度一般为几十字节的传感器读数来说，高带宽是多余的，ZigBee低带宽的奇迹是节能，正好有助于它实现其低功率、低成本和强健性的目标。 在结点位置不确定的情况下，需要网络具有自组网和自我修复的功能。 对于大量的节点，怎样合理调度使得最后产生的路由路径合理有效，都是需要研究的方向。 全网跳频技术，抗干扰技术等都是需要探讨的。,
