物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)[董健]-第四章講課教案

1、物聯(lián)網(wǎng)與短距離無線通信技術(shù)董健-第四章什么是ZigBee Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。 其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。zigbee早期也被稱為 “HomeRF Lite”、“RF- Ea

2、syLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)。 ZigBee可工作在2.14GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行) 和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi), 但可以繼續(xù)增加 。Zigbee的發(fā)展歷程p2002年,zigbee Alliance成立. p2004年,zigbee V1.0誕生.它是zigbee的第一個規(guī)范.但由于推出倉促,存在一些錯誤. p2006年,推出zigbee 2006,比較完善. p2007年底,zigbee PRO推出Zi

3、gBee技術(shù)特點ZigBee具體如下技術(shù)特點：1. 低功耗 由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算,ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。 相比較,藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。 現(xiàn)在，TI公司和德國的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee節(jié)點。該節(jié)點采用Micropelt公司的熱電發(fā)電機給TI公司的Zigbee提供電源。ZigBee技術(shù)特點2. 低成本 由于ZigBee模塊的復雜度不高，ZigBee協(xié)議免專利費，再加之使用的頻段無需付費，所以它的成本較低。通過大

4、幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。 市面上的zigbee學習開發(fā)板大概是500-700人民幣三個模塊，其中有帶功放的，傳輸距離遠一點，如果需要LCD顯示器的話可能會貴一點，價格會在兩千左右（三四個節(jié)點），但這是開發(fā)板，如果自己焊制、生產(chǎn)一個Zigbee節(jié)點其成本遠遠低于以上的價格，批量生產(chǎn)的話應該可以控制在50元人民幣左右成都無限龍公司和蜂舞Zigbee公司是市場上的主力軍，除了提供開發(fā)套件，還承接Zigbee項目。3. 時延短 通信時延

5、和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延30ms,休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。相比較,藍牙需要310 s、WiFi 需要3 s。 這種毫秒級的時延，在實時性要求不太高的網(wǎng)絡(luò)中是非常高效的，在有一定時延要求的網(wǎng)絡(luò)中也是佼佼者。 ZigBee技術(shù)特點4. 網(wǎng)絡(luò)容量大一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備, 一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可有65000多個節(jié)點。bluetooth-每個網(wǎng)絡(luò)8個節(jié)點. ZigBee技術(shù)特點5. 可靠采取了碰撞避免策略,同時為需

6、要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式, 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可進行重發(fā)。 ZigBee技術(shù)特點ZigBee技術(shù)特點6. 安全 ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認證,以及采用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。 Zigbee 提供了三級安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL) 防止非法獲取數(shù)據(jù)7.免執(zhí)照頻段 采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療( ISM) 頻段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz

7、(美國) 和868MHz(歐洲)。 ZigBee技術(shù)特點8.傳輸距離靈活 傳輸范圍一般介于10100 m 之間,在增加RF 發(fā)射功率后,亦可增加到13 km。這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。 ZigBee技術(shù)特點ZigBee與Wi-Fi、藍牙的區(qū)別ZigBee設(shè)備類型1. ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）2. ZigBee路由器（Router）3. ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由器和多個終端設(shè)備節(jié)點組成。ZigBee協(xié)調(diào)器（Coordinator）它包含所有的網(wǎng)絡(luò)信息，是3種

8、設(shè)備中最復雜的，存儲容量大、計算能力最強。它主要用于發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標、建立一個網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、存儲網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由信息并且不斷的接收信息。一旦網(wǎng)絡(luò)建立完成，這個協(xié)調(diào)器的作用就像路由器節(jié)點。ZigBee設(shè)備類型ZigBee路由器（Router） 它的執(zhí)行功能包括允許其它設(shè)備加入這個網(wǎng)絡(luò)，跳躍路由，輔助子樹下電池供電終端的通信。 通常,路由器全時間處在活動狀態(tài),因此為主供電。但是在樹狀拓撲中,允許路由器操作周期運行,因此這個情況下允許路由器電池供電。ZigBee設(shè)備類型ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個終端設(shè)備對于維護這個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責任,所以它可以睡眠和喚

9、配看它自己選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。ZigBee設(shè)備類型p 簡單的說，Zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。Zigbee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。 pZigbee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可

10、靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個Zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述拓撲結(jié)構(gòu)ZigBee支持三種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu) (Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系

11、統(tǒng)可靠性。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述設(shè)備類型拓撲類型是否成為協(xié)調(diào)器 通話對象全功能設(shè)備星型、樹狀、網(wǎng)狀可以與任何ZigBee設(shè)備通話簡化功能設(shè)備星型不可以與協(xié)調(diào)器、路由器通話，不能與終端設(shè)備通話ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述pZigbee采用的自組織網(wǎng)通信方式 pZigBee技術(shù)所采用的自組織網(wǎng)是怎么回事？舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降后，每人持有一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端，降落到地面后，只要他們彼此間在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。而且，由于人員的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)還會發(fā)生變化。因而，模塊還可以通過重新尋找通

12、信對象，確定彼此間的聯(lián)絡(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)進行刷新。這就是自組織網(wǎng) ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述pZigBee技術(shù)為什么要使用自組織網(wǎng)來通信？p為什么自組織網(wǎng)要采用動態(tài)路由的方式？ ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p網(wǎng)狀網(wǎng)通信實際上就是多通道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于我們有多個通道，車輛（相當于我們的控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達目的地。而這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言則非常重要。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述p所謂動態(tài)路由是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網(wǎng)絡(luò)當時可

13、利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠近，然后選擇其中的一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在我們的網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑的選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，就可以很好解決這個問題，從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)描述ZigBee協(xié)議架構(gòu) ZigBee協(xié)議由應用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE80

14、2.15.4負責物理層和鏈路層標準。ZigBee/IEEE802.15.4規(guī)格架構(gòu)ZigBee/IEEE802.15.4規(guī)格架構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲物理層功能：1. 激活和休眠射頻收發(fā)器；2. 信道能量檢測（energy detect）；3. 檢測接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示（link quality indication , LQI）；4. 空閑信道評估（clear channel assessment, CCA）；5. 收發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee協(xié)議架構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路層功能：1. 協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標幀，普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標幀與協(xié)議器同步；2. 支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)（association）和取消關(guān)

15、聯(lián)（disassociation）操作；3. 支持無線信道通信安全；4. 使用CSMA-CA機制訪問信道；5. 支持時槽保障（guaranteed time slot, GTS）機制；6. 支持不同設(shè)備的MAC層間可靠傳輸。 ZigBee協(xié)議架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層功能：pZigBee網(wǎng)絡(luò)層的主要功能就是提供一些必要的函數(shù)，確保ZIgBee的MAC層（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口。為了向應用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。p網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體（NLDE）通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務實體服務接入點（NLD

16、E-SAP）提供數(shù)據(jù)傳輸服務；p網(wǎng)絡(luò)層管理實體網(wǎng)絡(luò)層管理實體（NLME）通過網(wǎng)絡(luò)層管理實體服務接入點（NLME-SAP）提供網(wǎng)絡(luò)管理服務。網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實體完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫（NIB）的維護和管理。ZigBee協(xié)議架構(gòu)應用會聚層功能：該層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括：1. 安全與鑒權(quán)2. 多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚 3. 設(shè)備發(fā)現(xiàn) 4. 服務發(fā)現(xiàn)ZigBee協(xié)議架構(gòu) 智能家庭領(lǐng)域 可以應用于家庭的照明、溫度、安全、控制等。ZigBee模塊可安裝在電視、燈泡、遙控器、兒童玩具、游戲機、 門禁系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和其它家電產(chǎn)

17、品等，例如在燈泡中裝置ZigBee模塊，則人們要開燈，就不需要走到墻壁開關(guān)處，直接通過遙控便可開燈。當你打開電視機 時，燈光會自動減弱;當電話鈴響起時或你拿起話機準備打電話時，電視機會自動靜音。通過ZigBee終端設(shè)備可以收集家庭各種信息，傳送到中央控制設(shè)備， 或是通過遙控達到遠程控制的目的，提供家居生活自動化、網(wǎng)絡(luò)化與智能化。ZigBee應用領(lǐng)域工業(yè)領(lǐng)域 通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)自動收集各種信息，并將信息回饋到系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理與分析，以利工廠整體信息之掌握，例如 火警的感測和通知，照明系統(tǒng)之感測，生產(chǎn)機臺之流程控制等，都可由ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供相關(guān)信息，以達到工業(yè)與環(huán)境控制的目的。 ZigBee應用領(lǐng)域智能交通 街道、高速公路及其他地方分布式地裝有大量Z