ZigBee技术简介

ZigBee技术—让无线无所不在ZigBee无线数据通信模块
工业级高品质无线通信
深圳市金图旭昂通讯科技有限公司

内容概要
ZigBee技术简介
ZigBee技术—让无线无所不在
旭昂电子ZigBee无线通信模块介绍
ZigBee技术专业开发商
ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术应用：无线传感器网络、数据采集、
工业控制、智能楼宇、医疗设备…
ZigBee技术简介—什么是ZigBee
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联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、 汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

ZigBee技术简介—ZigBee与IEEE 802.15.4 ZigBee是一组基于IEEE802.15.4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，IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

ZigBee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）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）。

ZigBee技术简介—ZigBee物理信道
ZigBee技术简介—ZigBee网络设备类型
网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。

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或是精简功能装置（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、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。

•也能用作终端设备
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部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助
于降低成本。

ZigBee技术简介—ZigBee网状（MESH）网络
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技术简介—ZigBee网状（MESH）网络
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。

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技术简介—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操作是无环回的，并避免了当Ad hoc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技术简介—ZigBee通信可靠性保证 物理层RF 通信链接
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Frequency 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用的有保证的时隙
发送的数据包都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
ZigBee技术简介—ZigBee通信可靠性保证
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，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测
MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必
须等待接收方的确认信息。

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：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，
节点发生故障等等，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。

802.15.4 在低信噪比的
环境下误码率很低
蓝牙要达到
码率，信噪比要为误
码
率
Bluetooth
信噪比dB
在低信噪比的环境ZigBee 的性能超群
蓝牙
FSK WiFi 信噪比
位误码率
ZigBee技术简介—ZigBee技术优势
• • • • • • •
数据传输速率低：10KB/秒~250KB /秒，专注于低传输应用 功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月 成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 网络容量大：网络可容纳65,000个设备 时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道
接入时延为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）,各个应用可灵 活确定其安全属性
•
工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美
国），均为免执照（免费）的频段


ZigBee技术简介—ZigBee应用条件
低功耗； 低成本； 较低的报文吞吐率； 需要支持大型网络接点的数量级； 对通信服务质量QoS要求不高（甚至无QoS）； 需要可选择的安全等级（采用AES-128）， 加密 发送鉴别 报文的完整性 需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用； 要求高的网络自组织、自恢复能力。

ZigBee技术简介—ZigBee应用场合
无线传感器网络WSN； 带负载管理功能的自动抄表(AMR)系统； 智能交通、油气生产遥测遥控通信系统； 监控照明、HVAC和写字楼安全; 农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信； 工业制造、过程控制遥测遥控； 对病患、设备及设施进行医疗和健康监控； 家庭监控、HVAC、安防报警系统运用； 有源RFID应用，用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理； 军事应用，包括战场监视和机器人控制； 汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。

旭昂电子ZigBee无线通信模块介绍
旭昂电子ZigBee无线串口设备特点
RS232/485接口数据透明传输，通过MESH网络进行串行数据 通讯，使RS232/RS485数据流可以通过多跳方式进行传输； 完善的ZIGBEE路由多跳功能，能够自动组成复杂的网状网络 结构； 具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性。

旭昂电子ZigBee无线通信模块介绍
参数名称 频 段 通讯协议标准 网络拓扑结构 调制方式 数据传输速率 寻址方式 数据加密 错误校验 信道接入方式 信道数 通信时延 性能参数 2.4-2.483GHz IEEE 802.15.4 zigbee 网状网、星型 DSSS （O-QPSK） 最大250KBps 64位IEEE地址，8位网络地址 128-bit AES CRC-16/32 CSMA-CA和时隙化的CSMA-CA 16 15ms-30ms


旭昂电子ZigBee无线通信模块介绍
最大发射功率 接收灵敏度 工作温度 天线 通信距离 数据接口 可配置端口 电源
20dbm -94dbm -40-85℃ 2.4G外置天线／陶瓷天线 500-1000米 RS232/485 RS232/485 2.4V-3.6V


ZigBee技术应用解决方案
结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络
传感器节点
GPRS
ZigBee汇节点
ZIGBEE网状网络
区域一 数据库
GPRS
ZigBee汇节点 区域N
控制中心
ZIGBEE树状网络


ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的油田油井遥测遥控无线通信


ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术在石油石化行业的应用
油气管线的腐蚀检测 液化天然气罐远程监控
液化天然气 容器跟踪 润滑油供应链 油气管线侵入者检测


ZigBee技术应用解决方案
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
油船引擎振动监控
油罐车驾驶员安全措施


ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的管道监测无线数据传输网络
数据库 监测管理中心 GPRS/CDMA
应 用：石油管道远程监测、 天然气管道监测、城市热网 管道监测
管道
监测传感器
ZIGBEE中心节点
ZIGBEE路由节点


ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统
ZIGBEE终端节点
GPRS/CDMA ZIGBEE中心节点 数据库
集抄中心
单元楼 居 民 小 区 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技术应用解决方案
基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统
水表
煤气表
电表
数据采集器
ZIGBEE中心节点
485总线
楼层
单元楼1
ZIGBEE远端节点1
ZIGBEE远端节点N
ZigBee三表抄表系统--单元楼结构图
每楼层的水电煤三表通过RS485总线连接数据采集器，再连接到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


ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络
ZIGBEE终端节点 雨量计 闸位计
GPRS/CDMA
水位计
ZIGBEE中心节点 数据库
监测管理中心
潮位计
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 一个区域检测点设置一个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
应 用：河道水文水利监测、 湖泊水库监测、沿海潮汛 潮位监测


ZigBee技术应用解决方案
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
ZigBee中心节点
交通信号灯
可变标志
ZigBee无线通信
车检仪器
RTMS检测
路口控制机
感应线圈
ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统—交通路口控制通信


ZigBee技术应用解决方案
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
Zigbee网状网络 路口控制机 Zigbee路由节点 Zigbee路由节点
Zigbee路由节点
Zigbee路由节点
到其他路口控制节点
Zigbee中心节点
数据控制中心
ZIGBEE无线通信的交通信号控制系统—远程实时控制通信


ZigBee技术应用解决方案
医院对病患、监护设备及设施进行医疗和健康监控
房间
病人移动式 监护仪器
ZIGBEE路由器
ZIGBEE中心节点 带ZIGBEE的病房监护仪器、呼叫按扭
管理中心
借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而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和治疗。

ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的无线点餐系统通信解决方案
应 用：餐饮无线点餐系统、茶楼、咖啡馆、网吧、KTV娱乐场所呼叫系统


ZigBee技术应用小结
在工业领域：利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处 理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

例如危险化学成分 的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护。

这些应用不需 要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长 电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。

在汽车上：主要是传递信息的通用传感器。

由于很多传感器只能内置在飞转 的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备 使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂 的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

在精确农业：传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依 靠人力监测作物的生长状况。

采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐 渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能 化和远程控制的设备来耕种。

传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、 降水量、温度、空气湿度和气压等信息。

这些信息和采集信息的地理位置经由 ZigBee网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而准 确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

ZigBee技术应用小结
在家庭和楼宇自动化领域：家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速扩 展。

易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和 应用无线技术的主要动因。

未来的家庭将会有50~100个支持ZigBee的芯片被安 装在电灯开关、烟火检测器、 抄表系统、无线报警、安保系统、 HVAC 、厨房 器械中，为实现远程控制服务。

在医学领域：将借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人 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和治疗。

在消费和家用自动化市场：可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、 PC外设（键盘和鼠标等）、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、 照明设备、空调系统和其它家用电器等。

近年来，由于无线技术的灵活性和易用 性，无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要。

ZigBee技术应用小结
在道路指示、方便安全行路方面：如果沿着街道、高速公路及其它地方分布式地装有大量路标或其它简单装置，你就不再担心会迷路。

安装在你汽车里的装置会告诉你，你现在所处的位置、正向何处去。

虽然从全球定位系统（GPS）也能获得类似服务，但是这种新的分布式系统会向你提供更精确、更具体的信息。

即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内，你仍能继续使用此系统。

事实上，你从这个新系统能够得到比GPS多得多的信息，如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。

使用这种系统，还可以跟踪公共交通情况，你可以适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。

基于这样的新系统还可以开发出许多其它功能，例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。

当然，应用这一系统的关键问题在于成本、功耗和安全性等方面，而这正是802.15.4要解决的问题。

ZigBee的主要优势在于该类产品可以联网，同时还具有可互操作、高可靠及高安全等特性。

许多应用现在已经能够在不使用电缆的情况下进入家庭和建筑当中，将来还可通过远程控制(甚至可以是手机)来实现对楼宇自动化设备的管理。

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。

ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。

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。