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

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




添加一个存在的源文件

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
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