ZigBee技术及其应用
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将装置与可提供完整服务的其它装置进行绑定 绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征。
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
ZigBee解决方案
公司 TI Radio Pulse Jennic Microchip Freescale Atmel
基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
ZigBee产品(1)
日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络 实验机 (2005年1月)
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构筑无所不在的传感器网络
覆篕范围 全球 美洲 歐洲
数据传输速度 信道数量
250 kbps
16
40 kbps
10
20 kbps
1
物理层(3)
MAC层(1)
遵循IEEE802.15.4协议 负责设备间无线数据链路的建立、维护
和结束 确认模式的数据传送和接收 可选时隙,实现低延迟传输 支持各种网络拓扑结构 网络中每个设备为16位地址寻址
MAC层(2) ZigBee网络中的三种设备类型
网络协调器:每各ZigBee网络必须有一个.初始化网络信息.
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 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):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。
Star星
Mesh网
Cluster Tree串
ZigBee Coordinator ZigBee FFD ZigBee RFD
全功能器件 FFD = RFD+Router 简化功能器件 RFD
连 接
查 看 信 息 窗 口
调 试
Z-Stack系统运行流程图
ZSEG int main( void ) //主函数例子(即启动程序)
{ osal_int_disable( INTS_ALL ); // 关闭中断 HAL_BOARD_INIT(); // 初始化HAL zmain_vdd_check() ; //电压检测 zmain_ram_init(); // 初始化stack存储区 InitBoard( OB_COLD ); //初始化板载IO HalDriverInit(); //初始化HAL驱动 osal_nv_init( NULL ); //初始化NV系统 zmain_ext_addr(); //确定MAC地址 zgInit(); //初始化基本NV条目 ZMacInit(); //初始化MAC afInit();//初始化AF osal_init_system(); //初始化操作系统 osal_int_enable( INTS_ALL ); // 允许中断 InitBoard( OB_READY );//初始化开发板 zmain_dev_info(); //显示设备信息 zmain_lcd_init(); //液晶初始化 osal_start_system(); //启动操作系统
根据装置在网络中的功能,预先对装置编制好程序 协调器的功能是通过扫描搜索,以发现一个未用的信道来启动 一个网络。 路由器 (一个网络中的mesh设备)的功能是通过扫描搜索,以 发现一个激活的信道并将其连接,然后允许其它装置连接。 终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。
装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置 允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化。
应用ZigBee进行电子信息系统开发
快速开发—利用ZigBee串口模块
➢具备中继路由和终端设备功能; ➢最大视距传输距离2000米; ➢广播发送或目标地址发送模式可选; ➢中心节点、路由节点、终端节点可任设; ➢星型网、树型网、链型网、网状网; ➢16信道可选,65535个网络ID可任意设置;
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
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
➢ 应用领域: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。
无线网络标准的比较
无线网络标准的比较
ZigBee的技术优势
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65000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
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
ZigBee的应用场景
• 监视 • 传感器
• 自动化 • 控制
工业、农业 和商业
消费电子
个人 健康监护
低速无线设备
• TV • VCR • DVD • CD
缺点:成本高,体积大! 降低成本:根据需求设计软硬件!
开发工具1 –开发套件
开发工具2—编译器IAR
CC2430可以使用KEIL/IAR开进行开发.支持C, 汇编等语言.但是建议使用IAR软件.原因有两点:
➢ TI Z-Stack协议栈使用IAR开发完成,要使用 免费的ZigBee协议,就要使用IAR.
ZigBee的协议模型
对数据进行加密,保证数据的完整性。
路由,保证网络内的点到点的数据传输。 即数据链路层:解决无线资源的竞争问题; 设备间无线数据链路的建立、维护和结束。
实现“0”,“1”的传输。
应用层 应用支持子层
安全层
网络层
用户
ZigBee 联盟
MAC层 物理层
IEEE 802.15.4
硬件实现 ZigBee平台通信栈 应用层
指定固定的时隙进行通信 如:鼠标、键盘
网络及安全层
建立新的网络 处理节点的进入和离开网络 根据网络类型设置节点的协议堆栈 使网络协调器对节点分配地址 保证节点之间的同步 提供网络的路由 保证数据的完整性 使用可选的AES-128对通信加密
应用支持层及应用层
单价不超过4美元
外设
➢CSMA/CA(硬件支持) ➢信号强度自动生成 ➢电源、温度管理 ➢12位ADC ➢128位AES加密处理 ➢两个全功能串口 ➢21 个 I/O
开发工具 –(编译器)
IAR Embedded Workbench
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
➢ 使用IAR才能获得其他技术支持
IAR入门
打 开 存 在 的 项 目
创 建 一 个 新 项 目
保 存 项 目
添
加
源
文
添加一个存在的源文件
件
新 建 源 文 件
编 写 代 码
保 存 源 文 件
选 择 芯 片 型 号
选 择 防 真 方 式
选 择 防 真 器 的 接 口 方 式
编 译
ZigBee技术及其应用
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
什么是ZigBee ?
➢ ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据 速率、低成本的无线网络技术。
➢ 物理层协议:IEEE 802.15.4,采用直接序列扩频技术。可 用的频段有3个,分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频 段、以及美国的915MHz频段。
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(2004年10月)
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
应用支持层维持器件的功能属性 应用支持层发现该器件工作空间中其他
器件的工作 应用支持层根据服务和需求使多个器件
之间进行通信 应用层主要根据具体应用由用户开发
无线组网基础
网络扫描 装置扫描16个信道,以确定可占用的最佳信道。
组建/连接一个PAN 装置可在自由信道上组建一个网络(协调器)或连 接到一个已存在的网络上。
代表芯片
CC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530(即 将)
MANGO-MG2400/MG2450 JN5152 MRF24J40MA
Mc13191/192 AT86RF212(900Mhz)
ZigBee解决方案
TI经典方案CC2430+Z-Stack
➢CC2430是系统级芯片(SoC) , 在单个芯片上集成了ZigBee RF前 端、内存和微控制器。
可工作于所有网络结构
仅可和网络中的FFD通信
可作为网络协调器
不能作为网络协调器
可与网络中任何节点通信
MAC层(4)
周期性的数据通信
由用户决定周期的长短 如:烟雾传感器
间歇性的数据通信
由用户或外界事件引发决定间歇长短 如:电灯开关
重复而快速反应的数据通信
用于家庭保安系统
ZigBee产品(5)
韩国 Pantech&Curitel 手 机(2004年12月)
全球第一个内嵌ZigBee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(2005年2 月)
专为老人提供居家安 全保障
PC 机的 外围设备
• 鼠标 • 键盘 • 操作杆
• 监视 • 诊断
• 传感器
玩具和 游戏
• 玩具 • 游戏器具
家庭 自动化
• 保安
• HVAC • 照明 • 门禁
结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络
基于Zigbee技术的无线智能家居
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中心节点 ➢ZIGBEE中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心
物理层(1)
遵循IEEE802.15.4协议。 物理层是协议的最底层,承付着和外界
直接作用的任务。 主要目的:控制RF收发器工作。 调制方式:扩频通信 信号传输距离:~50m(室内),
~150m(室外)。
物理层(2)
频率 2.4 GHz 915 MHz 868 MHz
頻帶 ISM ISM ISM
➢Z-Stack ZigBee协议栈,是一 个软件包,提供一套C函数,应用 程序通过函数调用实现期望的通 讯功能。
协议软件,类似 于TCP/IP的实现
Z-stack
CC2430Biblioteka Baidu片
物理层芯片,类 似于网卡芯片
CC2430
RF/LAYOUT
➢ 兼容IEEE802.15.4 的RF前端 ➢ 7*7mm QLP48 封装
装置搜寻 装置询问网络,以在活动信道中搜寻相符的装置。
服务搜寻 装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务。
绑定 装置间通过命令/控制信息实现通信。
形成 ZigBee 网络的方法
一个网络的形成,必须由FFD率先担任网络协调者,建立网络,再 由其它的FFD或是RFD加入这个网络,不过RFD只能和FFD连结。
功耗
➢ 低功耗(接收 27mA,发送27mA) ➢ 休眠电流0.3-0.5μA ➢ 宽电压工作(2.0V ~ 3.6V)
内核
➢ 一个加强51 ➢ 128KB FALSH(另有32K、64K可选) ➢ 8KB RAM(4KB 可以全模式工作) ➢ DMA功能 ➢ 自带看门狗
➢ 一个IEEE802.15.4 MAC定时器 ➢ 支持硬件调试
ZigBee产品(1)
ZigBee产品(2)
OKI的ZigBee生物传 感器节点(2005年2月)
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(2004年12月)
用于大型机械和建筑 物的安全监控
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
ZigBee解决方案
公司 TI Radio Pulse Jennic Microchip Freescale Atmel
基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
ZigBee智能交通控制系统无线通信方案
ZigBee产品(1)
日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络 实验机 (2005年1月)
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构筑无所不在的传感器网络
覆篕范围 全球 美洲 歐洲
数据传输速度 信道数量
250 kbps
16
40 kbps
10
20 kbps
1
物理层(3)
MAC层(1)
遵循IEEE802.15.4协议 负责设备间无线数据链路的建立、维护
和结束 确认模式的数据传送和接收 可选时隙,实现低延迟传输 支持各种网络拓扑结构 网络中每个设备为16位地址寻址
MAC层(2) ZigBee网络中的三种设备类型
网络协调器:每各ZigBee网络必须有一个.初始化网络信息.
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 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):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。
Star星
Mesh网
Cluster Tree串
ZigBee Coordinator ZigBee FFD ZigBee RFD
全功能器件 FFD = RFD+Router 简化功能器件 RFD
连 接
查 看 信 息 窗 口
调 试
Z-Stack系统运行流程图
ZSEG int main( void ) //主函数例子(即启动程序)
{ osal_int_disable( INTS_ALL ); // 关闭中断 HAL_BOARD_INIT(); // 初始化HAL zmain_vdd_check() ; //电压检测 zmain_ram_init(); // 初始化stack存储区 InitBoard( OB_COLD ); //初始化板载IO HalDriverInit(); //初始化HAL驱动 osal_nv_init( NULL ); //初始化NV系统 zmain_ext_addr(); //确定MAC地址 zgInit(); //初始化基本NV条目 ZMacInit(); //初始化MAC afInit();//初始化AF osal_init_system(); //初始化操作系统 osal_int_enable( INTS_ALL ); // 允许中断 InitBoard( OB_READY );//初始化开发板 zmain_dev_info(); //显示设备信息 zmain_lcd_init(); //液晶初始化 osal_start_system(); //启动操作系统
根据装置在网络中的功能,预先对装置编制好程序 协调器的功能是通过扫描搜索,以发现一个未用的信道来启动 一个网络。 路由器 (一个网络中的mesh设备)的功能是通过扫描搜索,以 发现一个激活的信道并将其连接,然后允许其它装置连接。 终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。
装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置 允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化。
应用ZigBee进行电子信息系统开发
快速开发—利用ZigBee串口模块
➢具备中继路由和终端设备功能; ➢最大视距传输距离2000米; ➢广播发送或目标地址发送模式可选; ➢中心节点、路由节点、终端节点可任设; ➢星型网、树型网、链型网、网状网; ➢16信道可选,65535个网络ID可任意设置;
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
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
➢ 应用领域: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。
无线网络标准的比较
无线网络标准的比较
ZigBee的技术优势
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65000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
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
ZigBee的应用场景
• 监视 • 传感器
• 自动化 • 控制
工业、农业 和商业
消费电子
个人 健康监护
低速无线设备
• TV • VCR • DVD • CD
缺点:成本高,体积大! 降低成本:根据需求设计软硬件!
开发工具1 –开发套件
开发工具2—编译器IAR
CC2430可以使用KEIL/IAR开进行开发.支持C, 汇编等语言.但是建议使用IAR软件.原因有两点:
➢ TI Z-Stack协议栈使用IAR开发完成,要使用 免费的ZigBee协议,就要使用IAR.
ZigBee的协议模型
对数据进行加密,保证数据的完整性。
路由,保证网络内的点到点的数据传输。 即数据链路层:解决无线资源的竞争问题; 设备间无线数据链路的建立、维护和结束。
实现“0”,“1”的传输。
应用层 应用支持子层
安全层
网络层
用户
ZigBee 联盟
MAC层 物理层
IEEE 802.15.4
硬件实现 ZigBee平台通信栈 应用层
指定固定的时隙进行通信 如:鼠标、键盘
网络及安全层
建立新的网络 处理节点的进入和离开网络 根据网络类型设置节点的协议堆栈 使网络协调器对节点分配地址 保证节点之间的同步 提供网络的路由 保证数据的完整性 使用可选的AES-128对通信加密
应用支持层及应用层
单价不超过4美元
外设
➢CSMA/CA(硬件支持) ➢信号强度自动生成 ➢电源、温度管理 ➢12位ADC ➢128位AES加密处理 ➢两个全功能串口 ➢21 个 I/O
开发工具 –(编译器)
IAR Embedded Workbench
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
➢ 使用IAR才能获得其他技术支持
IAR入门
打 开 存 在 的 项 目
创 建 一 个 新 项 目
保 存 项 目
添
加
源
文
添加一个存在的源文件
件
新 建 源 文 件
编 写 代 码
保 存 源 文 件
选 择 芯 片 型 号
选 择 防 真 方 式
选 择 防 真 器 的 接 口 方 式
编 译
ZigBee技术及其应用
主要内容
什么是ZigBee ZigBee应用场景 ZigBee的协议模型 ZigBee的解决方案 应用ZigBee进行电子信息系统开发
什么是ZigBee ?
➢ ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据 速率、低成本的无线网络技术。
➢ 物理层协议:IEEE 802.15.4,采用直接序列扩频技术。可 用的频段有3个,分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频 段、以及美国的915MHz频段。
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(2004年10月)
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
应用支持层维持器件的功能属性 应用支持层发现该器件工作空间中其他
器件的工作 应用支持层根据服务和需求使多个器件
之间进行通信 应用层主要根据具体应用由用户开发
无线组网基础
网络扫描 装置扫描16个信道,以确定可占用的最佳信道。
组建/连接一个PAN 装置可在自由信道上组建一个网络(协调器)或连 接到一个已存在的网络上。
代表芯片
CC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530(即 将)
MANGO-MG2400/MG2450 JN5152 MRF24J40MA
Mc13191/192 AT86RF212(900Mhz)
ZigBee解决方案
TI经典方案CC2430+Z-Stack
➢CC2430是系统级芯片(SoC) , 在单个芯片上集成了ZigBee RF前 端、内存和微控制器。
可工作于所有网络结构
仅可和网络中的FFD通信
可作为网络协调器
不能作为网络协调器
可与网络中任何节点通信
MAC层(4)
周期性的数据通信
由用户决定周期的长短 如:烟雾传感器
间歇性的数据通信
由用户或外界事件引发决定间歇长短 如:电灯开关
重复而快速反应的数据通信
用于家庭保安系统
ZigBee产品(5)
韩国 Pantech&Curitel 手 机(2004年12月)
全球第一个内嵌ZigBee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(2005年2 月)
专为老人提供居家安 全保障
PC 机的 外围设备
• 鼠标 • 键盘 • 操作杆
• 监视 • 诊断
• 传感器
玩具和 游戏
• 玩具 • 游戏器具
家庭 自动化
• 保安
• HVAC • 照明 • 门禁
结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络
基于Zigbee技术的无线智能家居
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中心节点 ➢ZIGBEE中心节点数据通过GPRS/CDMA或ADSL上传到集抄中心
物理层(1)
遵循IEEE802.15.4协议。 物理层是协议的最底层,承付着和外界
直接作用的任务。 主要目的:控制RF收发器工作。 调制方式:扩频通信 信号传输距离:~50m(室内),
~150m(室外)。
物理层(2)
频率 2.4 GHz 915 MHz 868 MHz
頻帶 ISM ISM ISM
➢Z-Stack ZigBee协议栈,是一 个软件包,提供一套C函数,应用 程序通过函数调用实现期望的通 讯功能。
协议软件,类似 于TCP/IP的实现
Z-stack
CC2430Biblioteka Baidu片
物理层芯片,类 似于网卡芯片
CC2430
RF/LAYOUT
➢ 兼容IEEE802.15.4 的RF前端 ➢ 7*7mm QLP48 封装
装置搜寻 装置询问网络,以在活动信道中搜寻相符的装置。
服务搜寻 装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务。
绑定 装置间通过命令/控制信息实现通信。
形成 ZigBee 网络的方法
一个网络的形成,必须由FFD率先担任网络协调者,建立网络,再 由其它的FFD或是RFD加入这个网络,不过RFD只能和FFD连结。
功耗
➢ 低功耗(接收 27mA,发送27mA) ➢ 休眠电流0.3-0.5μA ➢ 宽电压工作(2.0V ~ 3.6V)
内核
➢ 一个加强51 ➢ 128KB FALSH(另有32K、64K可选) ➢ 8KB RAM(4KB 可以全模式工作) ➢ DMA功能 ➢ 自带看门狗
➢ 一个IEEE802.15.4 MAC定时器 ➢ 支持硬件调试
ZigBee产品(1)
ZigBee产品(2)
OKI的ZigBee生物传 感器节点(2005年2月)
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(2004年12月)
用于大型机械和建筑 物的安全监控