Zigbee无线通信技术及其组网研究方案解析
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ZIGBEE 无线通信技术及其组网研究方案
ZIGBEE由来
在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术 尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、 家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝 牙技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规 模太小等，而工业业自动化，对无线数据通信 的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这 种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工 业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期 努力，ZigBee 协议在2003 年正式问世。
一种星形网络的实现方案(3)
ZIGBEE安全体系结构
ZIGBEE安全体系结构
百度文库
ZigBee设备之间的通信使用IEEE 802．15．4无线标准，该 标准指定两层：物理层(PHY)和媒介存取控制层(MAC)。而 ZigBee负责构建网络层(NWK)和应用层(APL)。PHY层提供 基本的物理无线通信能力· MAC层提供设备间的可靠性授权和 一跳通信连接服务。NWK层提供用于构建不同网络拓扑结构 的路由和多跳功能。APL层包括一个应用支持子层(APS)、 ZigBee设备对象(ZDO)和应用。ZDO负责所有设备的管理。 APS提供一个用于ZDO和ZigBee应用的基础。 该体系结构包括协议栈三层安全机制。MAC、NWK和APS负 责各自帧的安全传输。而且，APS子层提供建立和保持安全 关系的服务。ZDO管理安全性策略和设备的安全性结构
ZIGBEE的技术特点(5)
短时延:ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠 转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络 只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝 牙需要3-10 s、WiFi需要 3s；
ZIGBEE的技术特点(6)
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 个节点的人网；
ZIGBEE组网方案
ZigBee网络常见的有两种拓扑结构,即星形拓 扑结构和对等拓扑结构
一种星形网络的实现方案(1)
首先，要进行硬件的和MAC（媒体接入控制 子层）初始化，之后进行星形网络的组建。
一种星形网络的实现方案(2)
任何一个 FFD 设备都可以作为一个协调器来 使用。当FFD 被激活后，它就建立一个自己 的网络，并作为 PAN 的协调器。一个星形网 络和其他网络是各自独立运行的，是通过选择 一个 PAN 标识符（PANID）来实现唯一性， 即在某个网络的覆盖范围内，这个标识符不能 被其他网络所使用。当选定PAN标识符以后， PAN 协调器就允许其他设备加入该网络，
ZIGBEE的技术特点(3)
低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率， 满足低速率传输数据的应用需求
ZIGBEE的技术特点(4)
近距离:传输范围一般在10~100m之间， 在 增加RF(Radio Frequency)发射功率后， 也 可增加到 1-3km。这指的是相邻竹点间的距 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；
ZIGBEE协议栈简介
应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈 的最上层用户。 ·应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流 的汇聚、设备发现和业务发现。 网络层的功能包括拓扑管理、M A C 管理、 路由管理和安全管理。
ZIGBEE协议栈简介
数据链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控 制子层（MAC）。IEEE802.15.4 的LLC子层与IEEE802.2 的 相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、 数据包的顺序传输。IEEE802.15.4 MAC 子层通过SSCS （Service-Specific ConvergenceSublayer）协议能支持多 种LLC 标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆 除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预 留时隙管理和广播信息管理。
ZIGBEE的技术特点(1)
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6-24 个月，甚至更长。 这是 ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙只可 以工作数周、WiFi却只能可以工作数小时；
ZIGBEE的技术特点(2)
低成本:通过大幅简化协议使成本很低(不足蓝 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的协议专利免费；
ZIGBEE的技术特点(7)
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 （AES128）的对称密码，以灵活确定其安全 属性；
ZIGBEE的技术特点(8)
免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医 疗2.4GHz(全球)频段。
ZIGBEE协议栈简介
物理层采用DSSS （D i r e c tSequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术， 定义了3 种流量等级：当频率采用2.4 GHz 时， 使用16 信道，能够提供250 kbit/s 的传输速 率；当采用915 MHz 时，使用10 信道，能够 提供40 kbit/s的传输速率；当采用868 MHz 时，使用单信道，能够提供20 kbit/s的传输 速率。
什么是ZIGBEE(1)
ZigBee是IEEE 802. 15. 4协议的代名词。根 据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术，不仅要适合于自动控制和远程控制 领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定 位功能。
什么是ZIGBEE(2)
由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡"(zig)地抖动 翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和 远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式 构成了群体中的通信“网络”，因此 ZigBee 的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述 这种无线信息传输技术。
ZIGBEE由来
在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术 尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、 家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝 牙技术显得太复杂、功耗大、距离近、组网规 模太小等，而工业业自动化，对无线数据通信 的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这 种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工 业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期 努力，ZigBee 协议在2003 年正式问世。
一种星形网络的实现方案(3)
ZIGBEE安全体系结构
ZIGBEE安全体系结构
百度文库
ZigBee设备之间的通信使用IEEE 802．15．4无线标准，该 标准指定两层：物理层(PHY)和媒介存取控制层(MAC)。而 ZigBee负责构建网络层(NWK)和应用层(APL)。PHY层提供 基本的物理无线通信能力· MAC层提供设备间的可靠性授权和 一跳通信连接服务。NWK层提供用于构建不同网络拓扑结构 的路由和多跳功能。APL层包括一个应用支持子层(APS)、 ZigBee设备对象(ZDO)和应用。ZDO负责所有设备的管理。 APS提供一个用于ZDO和ZigBee应用的基础。 该体系结构包括协议栈三层安全机制。MAC、NWK和APS负 责各自帧的安全传输。而且，APS子层提供建立和保持安全 关系的服务。ZDO管理安全性策略和设备的安全性结构
ZIGBEE的技术特点(5)
短时延:ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠 转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络 只需 30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝 牙需要3-10 s、WiFi需要 3s；
ZIGBEE的技术特点(6)
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 个节点的人网；
ZIGBEE组网方案
ZigBee网络常见的有两种拓扑结构,即星形拓 扑结构和对等拓扑结构
一种星形网络的实现方案(1)
首先，要进行硬件的和MAC（媒体接入控制 子层）初始化，之后进行星形网络的组建。
一种星形网络的实现方案(2)
任何一个 FFD 设备都可以作为一个协调器来 使用。当FFD 被激活后，它就建立一个自己 的网络，并作为 PAN 的协调器。一个星形网 络和其他网络是各自独立运行的，是通过选择 一个 PAN 标识符（PANID）来实现唯一性， 即在某个网络的覆盖范围内，这个标识符不能 被其他网络所使用。当选定PAN标识符以后， PAN 协调器就允许其他设备加入该网络，
ZIGBEE的技术特点(3)
低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率， 满足低速率传输数据的应用需求
ZIGBEE的技术特点(4)
近距离:传输范围一般在10~100m之间， 在 增加RF(Radio Frequency)发射功率后， 也 可增加到 1-3km。这指的是相邻竹点间的距 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；
ZIGBEE协议栈简介
应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈 的最上层用户。 ·应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee 网络层上，包括安全与鉴权、多个业务数据流 的汇聚、设备发现和业务发现。 网络层的功能包括拓扑管理、M A C 管理、 路由管理和安全管理。
ZIGBEE协议栈简介
数据链路层又可分为逻辑链路控制子层（LLC）和介质访问控 制子层（MAC）。IEEE802.15.4 的LLC子层与IEEE802.2 的 相同，其功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、 数据包的顺序传输。IEEE802.15.4 MAC 子层通过SSCS （Service-Specific ConvergenceSublayer）协议能支持多 种LLC 标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆 除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制、帧校验、预 留时隙管理和广播信息管理。
ZIGBEE的技术特点(1)
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6-24 个月，甚至更长。 这是 ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙只可 以工作数周、WiFi却只能可以工作数小时；
ZIGBEE的技术特点(2)
低成本:通过大幅简化协议使成本很低(不足蓝 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的协议专利免费；
ZIGBEE的技术特点(7)
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 （AES128）的对称密码，以灵活确定其安全 属性；
ZIGBEE的技术特点(8)
免执照频段:采用直接序列扩频在工业科学医 疗2.4GHz(全球)频段。
ZIGBEE协议栈简介
物理层采用DSSS （D i r e c tSequence Spread Spectrum，直接序列扩频）技术， 定义了3 种流量等级：当频率采用2.4 GHz 时， 使用16 信道，能够提供250 kbit/s 的传输速 率；当采用915 MHz 时，使用10 信道，能够 提供40 kbit/s的传输速率；当采用868 MHz 时，使用单信道，能够提供20 kbit/s的传输 速率。
什么是ZIGBEE(1)
ZigBee是IEEE 802. 15. 4协议的代名词。根 据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂 度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 通信技术，不仅要适合于自动控制和远程控制 领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定 位功能。
什么是ZIGBEE(2)
由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡"(zig)地抖动 翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和 远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式 构成了群体中的通信“网络”，因此 ZigBee 的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述 这种无线信息传输技术。