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1、ZigbeeZigbee无无线网络线网络技技术总结术总结 六 室 2010-7-12中科院微电子研究所中科院微电子研究所提纲无无线传线传感感网络概网络概述述1Zigbee协议协议2Z-Stack协议栈协议栈3Zigbee测试测试4无线传感网络概述 无线传感器网络（WirelessSensorNetwork）综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等先进技术，能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。无线传感网络概述PANPAN：射频识别：射频识别：射
2、频识别：射频识别(RFID)(RFID)、蓝牙、蓝牙、蓝牙、蓝牙(Bluetooth)(Bluetooth)、超宽带、超宽带、超宽带、超宽带(UWB)(UWB)1LANLAN：Wi-FiWi-Fi、ZigBee(802.11x)ZigBee(802.11x)、DECT(DECT(无绳电话无绳电话无绳电话无绳电话)2MANMAN：Wi-MAXWi-MAX（802.16x802.16x）3WANWAN：2G2G、3G3G、4G 4G 4无线传感网络概述蓝牙蓝牙ZigbeeWiMax3G无线传感网络概述Zigbee近距离无线通信概述Bluetooth1UWB2Zigbee3WiFi4Bluetoot
3、h蓝牙的来历蓝牙的来历蓝牙的来历蓝牙的来历英文：英文：BluetoothBluetooth代表一种短距离无线通信技术代表一种短距离无线通信技术“蓝牙蓝牙”（Bluetooth）一词是一位丹麦国王的名字）一词是一位丹麦国王的名字，在在10世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。世纪他将当时的瑞典、芬兰与丹麦统一起来。用用“蓝蓝 牙牙”他他的的名名字字来来命命名名这这种种短短距距离离无无线线通通信信的技术标准，含有将四分五裂的局面统一起来的意思。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
4、的电线。来，省去了传统的电线。Bluetooth蓝牙使用的技术蓝牙使用的技术Frequency Hopping&TDMA 蓝牙业务特征蓝牙业务特征传输数据和语音传输数据和语音蓝牙的应用蓝牙的应用为网络中的主从设备建立临时性的对等连接为网络中的主从设备建立临时性的对等连接Bluetooth蓝牙的技术标准蓝牙的技术标准IEEE802.15工作频段和带宽工作频段和带宽2.4GHz，1Mb/s传输距离传输距离10mUWB什么是超宽带？什么是超宽带？什么是超宽带？什么是超宽带？“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
5、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。UWBUWB技术标准技术标准IEEE 802.15.4a传输速率传输速率1Gbit/s传输距离传输距离1020m工作频段工作频段3.1GHz和和10.6GHz之间之间调制方式调制方式MB-OFDMZigbee主要用于构建无线个域网和无线传感网络主要用于构建无线个域网和无线传感网络什么是什么是什么是什么是ZigbeeZigbee技术？技术？技术？技术？“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“
6、Zigzag”形舞蹈来相互告知，达到交换信息目的Zigbee什么是什么是什么是什么是ZigbeeZigbee技术？技术？技术？技术？“ZigBee”被人们借来称呼一种新兴的近距离近距离、低低复杂度复杂度、低功耗低功耗、低数据速率低数据速率、低成本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。ZigbeeZigbee技术是技术是Zigbee联盟推出的联盟推出的基本情况基本情况ZigbeeZigbee联盟在联盟在协议上定义了网络层和应用层而形成的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主要用于构建无线个域网和无线传感网络速
7、速 率：率：根据不同的工作频段，有不同的速率：根据不同的工作频段，有不同的速率：16-250k16-250kZigbee特特 点点距距距距 离：离：离：离：有效传输范围有效传输范围有效传输范围有效传输范围1010101075m75m75m75m功功功功 耗：耗：耗：耗：两节两节两节两节5 55 5号电池可供终端工作号电池可供终端工作号电池可供终端工作号电池可供终端工作6 66 6个月以上个月以上个月以上个月以上速速速速 率：率：率：率：250kb/s(2.4G)40kb/s(915M)20kb/s(868M)250kb/s(2.4G)40kb/s(915M)20kb/s(868M)250kb/
8、s(2.4G)40kb/s(915M)20kb/s(868M)250kb/s(2.4G)40kb/s(915M)20kb/s(868M)成成成成 本：本：本：本：每片每片每片每片ZigbeeZigbeeZigbeeZigbee价格价格价格价格2 22 2美元美元美元美元WiFi什么是什么是什么是什么是WiFiWiFi？全称Wireless Fidelity，又称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米到122米，方便与现有的有线以太网络整合WiFiWiFiWiFi的技术优势的技
9、术优势的技术优势的技术优势组网方式组网方式设置设置WiFi无线路由器，组网方便无线路由器，组网方便传输速率传输速率IEEE802.11b:11Mb/s IEEE802.11a/g:54Mb/s覆盖范围覆盖范围半径半径100m无无线网络标线网络标准的比准的比较较提纲无无线传线传感感网络概网络概述述1Zigbee协议协议2Z-Stack协议栈协议栈3Zigbee测试测试4ZigBee概述 ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据率、低成本的双向无线通讯技术，是一组基于无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。标准定义了物理层（PHY Layer)及媒体存取层（MAC Laye
10、r)。ZigBee则是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer)、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer)以及各种应用产品的资料（Profile）。其中应用层提供应用支持子层（APS）和Zigbee设备对象（ZDO）。ZigbeeZigbee协议栈协议栈ZigbeeZigbee协议协议的体系的体系结构结构ZigBee物理层 物理层定义了物理无线信道与MAC层之间的接口，主要是在硬件驱动程序的基础上，实现数据传输和物理信道的管理，提供物理层数据服务和物理层管理服务。数据的发送与接收物理信道的能量检测(ED：
11、Energy Detection)射频收发器的激活与关闭空闲信道评估(CCA：clear channel assessment)链路质量指示(LQI：link quality indication)物理层属性参数的获取与设置ZigbeeZigbee物理信道物理信道ZigbeeZigbee调调制及制及扩频扩频在低信噪比的在低信噪比的环环境下境下ZigBeeZigBee具有很强的抗干具有很强的抗干扰扰性能。性能。误误码码率率信噪比信噪比dBdBbluetoothZigBee的MAC层 MAC层定义了MAC层与网络层之间的接口，提供MAC层数据服务和MAC层管理服务。采用CSMA-CA机制来访问物理
12、信道；协调器对网络的建立与维护；支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）；协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步；在两个MAC实体之间提供数据可靠传输；可选的保护时隙GTS支持；支持安全机制；Format of the Frame Control FieldFormat of the Frame Control FieldIEEE 802.15.4 Frame FormatIEEE 802.15.4 Frame FormatZigBee网络层 网络层定义了网络层与应用层之间的接口，提供网络层数据服务和网络层管理服务。网络层负责拓扑结构的
13、建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，在帧信息传输过程中所采用的安全性机制，设备的路由发现、维护和转交，在创建一个新网络时为新设备分配短地址。ZigBee网络层 网络层数据服务：网络层数据服务：产生网络协议数据单元选择通信路由网络层管理服务：网络层管理服务：配置新设备；开始新网络；加入和离开网络；寻址；邻近设备发现；路由发现；接受控制；ZigBee应用层 应用层定义了应用层与网络层之间的接口，主要由应用支持子层、设备配置层和用户应用程序组成，提供应用层数据服务和应用层管理服务。产生应用数据单元；绑定及绑定服务；AIB管理；安全管理；ZigBee网络设备类型网络协调网
14、络协调器：器：包含所有的包含所有的网络网络消息，是消息，是3 3种设备类种设备类型中最型中最复杂复杂的一的一种种，存，存储储容量最大、容量最大、计计算能力最强。算能力最强。发发送送网络网络信信标标、建立一、建立一个网络个网络、管理、管理网络节网络节点、点、存存储网络节储网络节点信息、点信息、寻寻找一找一对对节节点点间间的路由消息、不的路由消息、不断断地接收信息。地接收信息。全功能全功能设备设备（FFDFFD）：）：可以担任可以担任网络协调网络协调者，形成者，形成网络网络，让让其他的其他的FFDFFD或是或是精精简简功能装置（功能装置（RFDRFD）连结连结，FFDFFD具具备备控制器的功能，可
15、提供信息控制器的功能，可提供信息双双向向传输传输。.附附带带由由标标准指定的全部功能和所有特征准指定的全部功能和所有特征 .更多的存更多的存储储器、器、计计算能力可使其在空算能力可使其在空闲时闲时起起网络网络路由器作用路由器作用 .也能用作也能用作终终端端设备设备精精简简功能功能设备设备（RFDRFD）：）：RFDRFD只能只能传传送信息送信息给给FFDFFD或或从从FFDFFD接收信息。接收信息。.附附带带有限的功能有限的功能来来控制成本和控制成本和复杂复杂性性 .在在网络网络中通常用作中通常用作终终端端设备设备。.ZigBee.ZigBee相相对简单对简单的的实现实现自然自然节节省了省了费
16、费用。用。RFDRFD由于省掉了由于省掉了内内存和其存和其 他他电电路，降低了路，降低了ZigBeeZigBee部件的成本，而部件的成本，而简单简单的的8 8位位处处理器和小理器和小协议协议 栈栈也有助于降低成本。也有助于降低成本。ZigBee网络拓扑结构MESHMESH网状网络网状网络拓扑拓扑结构结构的的网络网络具有强大的功能，具有强大的功能，网络网络可以通可以通过过多多级级跳的方式跳的方式来来通信；通信；该该拓扑拓扑结构还结构还可以可以组组成成极为复杂极为复杂的的网络网络；网络还网络还具具备备自自组织组织、自愈功能。、自愈功能。ZigBee网状（Mesh）网络Mesh是一种特殊的、按接力方
17、式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。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。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。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网状（Mesh）网络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。节点仅记住下一跳，而非像源节
18、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）。ZigbeeZigbee应应用案例用案例提纲无无线传线传感感网络概网络概述述1Zigbee协议协议2Z-Stack协议栈协议栈3Zigbee测试测试4Z-Stack协议栈1 1TI开发的开源开发的开源ZigbeeZigbee协议栈协议栈2 2支持支持Zigb
19、ee2006和和Zigbee2007Zigbee20073 3基于轮转查询式的操作系统基于轮转查询式的操作系统 Z-Stack Z-Stack已经编写了对从MAC层到ZigBee设备应用层这五层任务的事件处理函数，一般情况下只需要编写应用层的任务及事件处理函数就可以。1、主文件：存放具体的任务事件处理函数 2、头文件：主文件的头文肩 3、操作系统接口文件：以Osal开头，专门存放任务处理函数数组 调理组合 Z-Stack的main函数在中，总体上来说，它一共做了两件工作，一个是系统初始化，即有启动代码来初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块，另一个作用就是开始执行操作系统实体。系系统统初始化流
20、程初始化流程图图文件目录文件目录说明说明App 应用层目录。创建新项目时添加的文件应用层目录。创建新项目时添加的文件HAL 硬件层目录。硬件层目录。Common目录文件是基本上与硬件无关的公用文件；目录文件是基本上与硬件无关的公用文件；Target目录是目录是跟硬件平台相关的文件跟硬件平台相关的文件MACMAC层目录。层目录。High Level和和Low Level目录分别表示目录分别表示MAC层的高层和底层层的高层和底层MT监制调试层目录。该目录文件主要用于调试目的监制调试层目录。该目录文件主要用于调试目的NWK网络层目录。含网络层配置参数文件、网络层库的函数接口文件及网络层目录。含网络层
21、配置参数文件、网络层库的函数接口文件及APS层库的函层库的函数接口数接口OSAL协议栈的操作系统抽象层目录协议栈的操作系统抽象层目录ProfileAF层目录，层目录，Application Farmework 应用框架应用框架Security安全层目录，包含安全层处理函数接口文件安全层目录，包含安全层处理函数接口文件ServicesZigBee和和802.15.4设备地址处理函数目录设备地址处理函数目录Tools工作配置目录，包括空间划分及工作配置目录，包括空间划分及Z-Stack相关配置信息相关配置信息ZDOZigBee设备对象，一种公共的功能集，文件用户用自定义的对象调用设备对象，一种公共的功能集，文件用户用自定义的对象调用APS子层的子层的服务和服务和NWK层的服务层的服务ZMACZ-Stack MAC导出层接口文件和需要调用的网络层函数导出层接口文件和需要调用的网络层函数Zmain整个项目的入口，包含函数整个项目的入口，包含函数main()谢 谢！