第1章 ZigBee技术背景概述
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无线传感器网络的特点
1. 规模网络
2. 部署方式 3. 自组织网络 4. 动态性网络 5. 硬件资源有限 6. 可靠性差 7. 以数据为中心的网络 8. 异构节点与事件相关性
18
9. 应用相关的网络
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
1. 军事领域
19
《ZigBee与无线自组网技术》
ZigBee 技术简介
ZigBee名字来源于蜜蜂
28
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
IEEE 802.15.4标准与ZigBee规范
应用框架及应用 应用支持子层 网络层
ZigBee规范
ZigBee应用开发者和ZigBee规范
MAC层
IEEE 802.15.4
1
蓝牙 IEEE 802.15.1
0.1 慢 近
ZigBee IEEE 802.15.4
监控 控制
WPAN
WLAN 辐射范围
WMAN
WWAN
远
31
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee与常见无线标准对比
标准 应用 系统资源 网络大小 GPRS/GSM 声音、数据 16MB+ 1 WIFI Web、Video 1MB+ 32 蓝牙 电缆替代品 250KB+ 8 ZigBee 监控、控制 4KB-6KB 65536
13
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络体系结构
14
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
传感器节点的体系结构
传感器模块
处理器模块
处理器
无线射频模块
传感器
AD转换器 存储器
MAC
收发器
能 量 供 应 模 块
30
ZigBee IEEE 802.15.4
监控 控制
WPAN
WLAN 辐射范围
WMAN
WWAN
远
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee技术与常见无线通信技术
快
UWB 802.15.3
视频
数据传输率（MBps）
文本
10
WIFI IEEE 802.11.a/b/g 语音 蜂窝网络 2.5G/3G
3
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
WSN Wireless Sensor Networks
无线传感器网络系统是当前在国际上备受关注
的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热
点研究领域。它综合了传感器技术、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。
4
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee通信频段和信道
33
ZigBee技术原理与实战
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee射频芯片和协议栈
硬件层次
需要依靠支持IEEE 802.15.4标准的无线射频芯片
软件层次
ZigBee无线通信协议栈
34
ZigBee技术原理与实战
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络定义
无线传感器网络是由大量静止或移动的廉价微型
传感器组成的多跳自组织无线网络，通过协作的方
式感知、采集、处理和传输对象的监测信息。
5
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
传感器网络的三个基本要素：
传感器 感知对象 观察者
传感器网络的三个基本功能：
电 池 寿 命 （ 天 ）1-7
网络带宽（ Kb/ 64-128+ s） 传输范围（m） 市场优势 1000+ 覆盖面，质量
0.5-5
11000+ 1-100 速度，灵活
1-7
720+ 1-10+ 成本，方便
100-1000+
20-250 1-100+ 可靠，低功耗，成 本
32
ZigBee技术原理与实战
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
2. 环境检测和保护
20
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
3. 智能家居和医疗护理
21
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
4. 无线智能电网应用
22
《ZigBee与无线自组网技术》
Airborne Warning and Control System,AWACS
）都是最早的WSN。到如今可以认为WSN的发展
经历了四个阶段。
7
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络发展历程
域覆盖 面覆盖
线覆盖 点覆盖 直接覆盖 总线连接
网络连接
接口覆盖
1965 第一代
15
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
软件环境
应用（application） Ad hoc 路由应用
活动信息
数据包（packet）
无线数据包
串口数据包
温度
软件
硬件 字节（byte） 无线字节 UART I2C 摄像头
比特（bit）
射频模块
时钟
16
《ZigBee与无线自组网技术》
12
。
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
发展前景
WSN 在中国的发展机会 4）2009年8月，温家宝总理视察无锡提出“感知中国” 5) 2012年3月，国家政府工作报告将物联网提升为战略新兴产业 6) 2013年2月，工信部发布《加快推进传感器及智能化仪器仪表 产业发展行动计划》，以解决传感器行业主干产品智能化、网 络化、可靠性、安全性等关键问题。
36
ZigBee技术原理与实战
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构
星形网络
树形网络
网状网络
PAN协调 器
路由器
终端设备
37
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构
星状网络：由一个PAN协调器节点和一个或多个终端设备组成。 树状网络：由一个PAN协调器节点和一个或多个星状网络结构 组成。 网状网络：类似树状网络，任意两个路由器能够直接通信，具
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
网络模型
35
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
功能类型设备
节点类型
1）协调器：一个ZigBee网络有且仅有一个PAN协调器，负 责网络启动，配置网络信道和PAN ID，成员地址分配，节 点绑定、建立安全层等。 2）路由器：允许设备加入网络，扩展网络覆盖的物理范围、 数据包路由功能 3）终端设备： ZigBee网络边缘设备，不具备协调器和路由 器的能力。
第1章 ZigBee技术背景概述
本章内容简介
本章主要介绍ZigBee所属的无线传感器网络领域的 应用现状、网络特点、关键技术、应用前景等，讲 述ZigBee技术在无线传感器网络中的位置、目的、 功能、特点及运行机理。
2
《ZigBee与无线自组网技术》
目录
1 2
1.1 无线传感器网络概述 1.2 ZigBee技术概述
本节简要的介绍了无线传感器网络的发展和现状、体系结构、网络 特点、典型应用和关键技术。 无线传感器网络由军方驱动，至今大致经历了四个发展阶段，国内 外许多组织和公司加入到其研究行列，具有广阔的发展前景。无线传 感器网络一般是由汇聚节点和传感器节点组成的一个自组织的网络。 汇聚节点通过多跳的方式从传感器节点获取数据，或者向传感器节点 发送查询命令。传感器节点硬件主要包括：传感器、信号调理电路、 AD 转换器件、微处理器、存储器、射频模块、电池及电源管理电路等 。传感器节点一般使用 TinyOS 操作系统。TinyOS 提供了轻量级线程 （task）技术、两层调度（two level scheduling）、主动消息（Active Message）、事件驱动模式和组件化编程。 传感器网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性、应用相关、以 数据为中心等特点，它主要应用到军事预警、环境监控、建筑物监控 、生态监控、空间探索、智能交通、安全生产、智能家居、健康护理 等领域。传感器网络的关键技术包括：网络协议、网络安全、拓扑控 制、时钟同步、定位技术、数据管理、运行与开发环境，以及应用相 关算法等。无线传感器网络领域的研究主要集中在介质访问控制协议 和路由协议，一些典型的协议对我们学习和研究无线传感器网络有许 多借鉴之处。
有路由功能的节点可以直接把消息传给其它路由节点。
38
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构 --网状网络及其健壮性
39
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee网络组建与入网 --ZigBee网络形成
感知、传输和处理功能，
对应着现代信息技术的三大基础技术：
传感器技术、通信技术和计算机技术。
6
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络发展历程
与很多技术一样，WSN的发展最初也是由军方驱
动的。早期的声音监测系统（Sound Surveillance
System,SOSUS）、空中预警与控制系统（
8
1980
第二代
1995
第三代
2005
(年)
第四代
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
研究现状
研究工作：
传感器网络技术、通信协议、感知数据查询处理 取得的成果： 传感器网络系统方面： 1、美国陆续开展的一系列重要的WSN研究项目 2、美国DARPA每年投入上千万美元进行WSN技术研究 3、美国一些大型IT公司与高校合作介入该领域
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
网络协议栈
应用层
（任务调度、数据分发和定位等）
传输层
（传输控制）
网络层
（路由、网络互联）
数据链路层
（MAC、逻辑链路控制）
能 量 管 理 平 台
移 动 管 理 平 台
任 务 管 理 平 台
物理层
（UWB、扩频）
17
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络概述
发展前景
制约WSN应用的问题
1）成本：
2）低能耗：
3）微型化： 4）移动性： 5) 安全：
11
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
发展前景
WSN 在中国的发展机会 1）《中国未来20年技术预见研究》中共有157项技术课题， 其中有7项直接论述传感器网络。 2） 2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》 为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研 究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。 3）工信部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家 级重大专项中，第6个子专题“短距离无线互联与无线传感 器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的
9
《ZigBee与无线自组网技术》
Biblioteka Baidu
1.1无线传感器网络概述
研究现状
研究现状： 传感器网络通信协议的研究 提出几种新的通信协议，包括协商类协议、定向发
布类协议、能耗敏感类协议、多路径类协议、传播
路由类协议、介质访问控制协议、基于簇的协议和 以数据为中心的路由算法。 感知数据查询处理技术研究
10
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
5. 工业控制
23
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
6. 农业领域
24
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
7. 安全预警
25
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
物理层
29
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee技术与常见无线通信技术
快
UWB 802.15.3
视频
数据传输率（MBps）
文本
10
WIFI IEEE 802.11.a/b/g 语音 蜂窝网络 2.5G/3G
1
蓝牙 IEEE 802.15.1
0.1 慢 近
26
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简要
是一种新兴的、短距离、低功耗、低数据传输速率、
低成本、低复杂度的无线传感器网络技术。介于无 线射频标签RFID和蓝牙（Blue Tooth）技术之间的 技术提案。
27
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
FFD设备上电激活
FFD确定成为协调器
能量扫描、信道扫描
选择合适信道
设置PAN ID和协调器地址
网络建立成功，并等待设备加入网络
40
1. 规模网络
2. 部署方式 3. 自组织网络 4. 动态性网络 5. 硬件资源有限 6. 可靠性差 7. 以数据为中心的网络 8. 异构节点与事件相关性
18
9. 应用相关的网络
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
1. 军事领域
19
《ZigBee与无线自组网技术》
ZigBee 技术简介
ZigBee名字来源于蜜蜂
28
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
IEEE 802.15.4标准与ZigBee规范
应用框架及应用 应用支持子层 网络层
ZigBee规范
ZigBee应用开发者和ZigBee规范
MAC层
IEEE 802.15.4
1
蓝牙 IEEE 802.15.1
0.1 慢 近
ZigBee IEEE 802.15.4
监控 控制
WPAN
WLAN 辐射范围
WMAN
WWAN
远
31
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee与常见无线标准对比
标准 应用 系统资源 网络大小 GPRS/GSM 声音、数据 16MB+ 1 WIFI Web、Video 1MB+ 32 蓝牙 电缆替代品 250KB+ 8 ZigBee 监控、控制 4KB-6KB 65536
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
无线传感器网络体系结构
14
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
传感器节点的体系结构
传感器模块
处理器模块
处理器
无线射频模块
传感器
AD转换器 存储器
MAC
收发器
能 量 供 应 模 块
30
ZigBee IEEE 802.15.4
监控 控制
WPAN
WLAN 辐射范围
WMAN
WWAN
远
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee技术与常见无线通信技术
快
UWB 802.15.3
视频
数据传输率（MBps）
文本
10
WIFI IEEE 802.11.a/b/g 语音 蜂窝网络 2.5G/3G
3
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
WSN Wireless Sensor Networks
无线传感器网络系统是当前在国际上备受关注
的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热
点研究领域。它综合了传感器技术、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。
4
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee通信频段和信道
33
ZigBee技术原理与实战
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee射频芯片和协议栈
硬件层次
需要依靠支持IEEE 802.15.4标准的无线射频芯片
软件层次
ZigBee无线通信协议栈
34
ZigBee技术原理与实战
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络定义
无线传感器网络是由大量静止或移动的廉价微型
传感器组成的多跳自组织无线网络，通过协作的方
式感知、采集、处理和传输对象的监测信息。
5
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
传感器网络的三个基本要素：
传感器 感知对象 观察者
传感器网络的三个基本功能：
电 池 寿 命 （ 天 ）1-7
网络带宽（ Kb/ 64-128+ s） 传输范围（m） 市场优势 1000+ 覆盖面，质量
0.5-5
11000+ 1-100 速度，灵活
1-7
720+ 1-10+ 成本，方便
100-1000+
20-250 1-100+ 可靠，低功耗，成 本
32
ZigBee技术原理与实战
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
2. 环境检测和保护
20
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
3. 智能家居和医疗护理
21
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
4. 无线智能电网应用
22
《ZigBee与无线自组网技术》
Airborne Warning and Control System,AWACS
）都是最早的WSN。到如今可以认为WSN的发展
经历了四个阶段。
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络发展历程
域覆盖 面覆盖
线覆盖 点覆盖 直接覆盖 总线连接
网络连接
接口覆盖
1965 第一代
15
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
软件环境
应用（application） Ad hoc 路由应用
活动信息
数据包（packet）
无线数据包
串口数据包
温度
软件
硬件 字节（byte） 无线字节 UART I2C 摄像头
比特（bit）
射频模块
时钟
16
《ZigBee与无线自组网技术》
12
。
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
发展前景
WSN 在中国的发展机会 4）2009年8月，温家宝总理视察无锡提出“感知中国” 5) 2012年3月，国家政府工作报告将物联网提升为战略新兴产业 6) 2013年2月，工信部发布《加快推进传感器及智能化仪器仪表 产业发展行动计划》，以解决传感器行业主干产品智能化、网 络化、可靠性、安全性等关键问题。
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ZigBee技术原理与实战
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构
星形网络
树形网络
网状网络
PAN协调 器
路由器
终端设备
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构
星状网络：由一个PAN协调器节点和一个或多个终端设备组成。 树状网络：由一个PAN协调器节点和一个或多个星状网络结构 组成。 网状网络：类似树状网络，任意两个路由器能够直接通信，具
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
网络模型
35
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
功能类型设备
节点类型
1）协调器：一个ZigBee网络有且仅有一个PAN协调器，负 责网络启动，配置网络信道和PAN ID，成员地址分配，节 点绑定、建立安全层等。 2）路由器：允许设备加入网络，扩展网络覆盖的物理范围、 数据包路由功能 3）终端设备： ZigBee网络边缘设备，不具备协调器和路由 器的能力。
第1章 ZigBee技术背景概述
本章内容简介
本章主要介绍ZigBee所属的无线传感器网络领域的 应用现状、网络特点、关键技术、应用前景等，讲 述ZigBee技术在无线传感器网络中的位置、目的、 功能、特点及运行机理。
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《ZigBee与无线自组网技术》
目录
1 2
1.1 无线传感器网络概述 1.2 ZigBee技术概述
本节简要的介绍了无线传感器网络的发展和现状、体系结构、网络 特点、典型应用和关键技术。 无线传感器网络由军方驱动，至今大致经历了四个发展阶段，国内 外许多组织和公司加入到其研究行列，具有广阔的发展前景。无线传 感器网络一般是由汇聚节点和传感器节点组成的一个自组织的网络。 汇聚节点通过多跳的方式从传感器节点获取数据，或者向传感器节点 发送查询命令。传感器节点硬件主要包括：传感器、信号调理电路、 AD 转换器件、微处理器、存储器、射频模块、电池及电源管理电路等 。传感器节点一般使用 TinyOS 操作系统。TinyOS 提供了轻量级线程 （task）技术、两层调度（two level scheduling）、主动消息（Active Message）、事件驱动模式和组件化编程。 传感器网络具有大规模、自组织、动态性、可靠性、应用相关、以 数据为中心等特点，它主要应用到军事预警、环境监控、建筑物监控 、生态监控、空间探索、智能交通、安全生产、智能家居、健康护理 等领域。传感器网络的关键技术包括：网络协议、网络安全、拓扑控 制、时钟同步、定位技术、数据管理、运行与开发环境，以及应用相 关算法等。无线传感器网络领域的研究主要集中在介质访问控制协议 和路由协议，一些典型的协议对我们学习和研究无线传感器网络有许 多借鉴之处。
有路由功能的节点可以直接把消息传给其它路由节点。
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
拓扑结构 --网状网络及其健壮性
39
《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee技术基础
ZigBee网络组建与入网 --ZigBee网络形成
感知、传输和处理功能，
对应着现代信息技术的三大基础技术：
传感器技术、通信技术和计算机技术。
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络发展历程
与很多技术一样，WSN的发展最初也是由军方驱
动的。早期的声音监测系统（Sound Surveillance
System,SOSUS）、空中预警与控制系统（
8
1980
第二代
1995
第三代
2005
(年)
第四代
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
研究现状
研究工作：
传感器网络技术、通信协议、感知数据查询处理 取得的成果： 传感器网络系统方面： 1、美国陆续开展的一系列重要的WSN研究项目 2、美国DARPA每年投入上千万美元进行WSN技术研究 3、美国一些大型IT公司与高校合作介入该领域
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络的体系结构
网络协议栈
应用层
（任务调度、数据分发和定位等）
传输层
（传输控制）
网络层
（路由、网络互联）
数据链路层
（MAC、逻辑链路控制）
能 量 管 理 平 台
移 动 管 理 平 台
任 务 管 理 平 台
物理层
（UWB、扩频）
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络概述
发展前景
制约WSN应用的问题
1）成本：
2）低能耗：
3）微型化： 4）移动性： 5) 安全：
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
发展前景
WSN 在中国的发展机会 1）《中国未来20年技术预见研究》中共有157项技术课题， 其中有7项直接论述传感器网络。 2） 2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》 为信息技术确定了三个前沿方向，其中两个与无线传感器的研 究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。 3）工信部在2008年启动的“新一代宽带移动通信网”国家 级重大专项中，第6个子专题“短距离无线互联与无线传感 器网络研发和产业化”是专门针对传感器网络技术而设立的
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《ZigBee与无线自组网技术》
Biblioteka Baidu
1.1无线传感器网络概述
研究现状
研究现状： 传感器网络通信协议的研究 提出几种新的通信协议，包括协商类协议、定向发
布类协议、能耗敏感类协议、多路径类协议、传播
路由类协议、介质访问控制协议、基于簇的协议和 以数据为中心的路由算法。 感知数据查询处理技术研究
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
5. 工业控制
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
6. 农业领域
24
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
无线传感器网络典型应用
7. 安全预警
25
《ZigBee与无线自组网技术》
1.1无线传感器网络概述
物理层
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简介
ZigBee技术与常见无线通信技术
快
UWB 802.15.3
视频
数据传输率（MBps）
文本
10
WIFI IEEE 802.11.a/b/g 语音 蜂窝网络 2.5G/3G
1
蓝牙 IEEE 802.15.1
0.1 慢 近
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
ZigBee 技术简要
是一种新兴的、短距离、低功耗、低数据传输速率、
低成本、低复杂度的无线传感器网络技术。介于无 线射频标签RFID和蓝牙（Blue Tooth）技术之间的 技术提案。
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《ZigBee与无线自组网技术》
1.2 ZigBee技术概述
FFD设备上电激活
FFD确定成为协调器
能量扫描、信道扫描
选择合适信道
设置PAN ID和协调器地址
网络建立成功，并等待设备加入网络
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