ZigBee(紫蜂)技术讲解

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zigbee技术的原理及应用

Zigbee技术的原理及应用1. 引言Zigbee是一种低功耗、近距离无线通信协议，被广泛应用于物联网领域。

本文将介绍Zigbee技术的原理，并探讨它在各个领域的应用。

2. Zigbee技术的原理•Zigbee协议：Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的通信协议。

它使用2.4GHz、900 MHz和868 MHz无线频段进行通信。

•网络拓扑：Zigbee网络采用星状、网状和树状等多种拓扑结构。

其中，星状拓扑最常见，由一个中心设备（协调器）和若干个终端设备组成。

•网络通信：Zigbee采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）的通信方式，确保数据的可靠传输。

•低功耗：Zigbee设备的功耗非常低，可以通过休眠和睡眠模式来降低能耗，在电池供电的应用中具有较长的使用寿命。

3. Zigbee技术的应用3.1 智能家居•环境监测：通过Zigbee传感器可以实时监测室内温度、湿度、光照等环境指标，实现智能调控。

•安防系统：Zigbee技术可以用于家庭安防系统，包括智能门锁、烟雾报警器和入侵检测器等。

•能源管理：通过智能插座和用电监控装置，实现对家电的远程控制和能源使用的监测。

3.2 工业控制•无线传感网络：Zigbee技术可以应用于工业领域的无线传感网络，实现对设备状态的监测和控制。

•远程监控：利用Zigbee传感器，可以实现对工业设备的远程监控和故障诊断。

•自动化控制：Zigbee网络可用于自动化控制系统，实现对设备的自动控制和优化。

3.3 医疗健康•远程监护：Zigbee技术可以用于监测和传输患者的生理参数，如心率、血压和血氧饱和度等。

•医疗设备：利用Zigbee传感器和控制器，可以实现医疗设备的远程操控，提高医疗效率。

•健康管理：通过与智能手机和云平台的连接，可实现对个人健康状况的实时监测和管理。

3.4 农业领域•农业监测：Zigbee网络可用于农业领域的远程监测，包括温度、湿度和土壤湿度的实时监测。

zigbee技术原理解读

间进行通信。树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，
设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只
能通过网络中的树型路由完成通信。
图2-2 Zigbee网络拓扑结构
网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网
络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相
通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。
说的“接口”是指不同功能层的“通信规则”。
例如，物理层服务访问接口是通过射频固件和硬件提供给
MAC层与无线信道之间的通信规则。服务访问接口是通过
服务原语实现的，其功能是为其他层提供具体服务。注意：这里要区分“服务原语”和“协议”的区别：
“协议”是两个需要通信的设备之间的同一层之间如何发
送数据、如何交换帧的规则，是“横向”的；而“服务原语”是“纵向”的层和层之间的一组操作。
在于工作频段、调制技术和传输速率的不同。
2.4 GHz是全球统一的无需申请的ISM频段，有助于
Zigbee设备的推广和生产成本的降低。此频段的物理层通
过采用高阶调制技术能够提供250 kb/s的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信延时和更短的周期，达
到节约能源的目的。另外此频段提供16个数据速率为
加入网络。设备加入网络后由协调器为其分配16位短地址，具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是在树型
网络中，子设备只能和自己的父设备进行通信，如果某终
端设备要与非自己父设备的其他设备通信，必须经过树型路由进行通信。
（3）. 网状型网络的形成过程
在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范
围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争PAN

紫蜂

紫蜂紫蜂【zǐ fēng】"Zigbee"的音译，紫蜂是一种短距离、低速率低功耗的无线网络传输技术，采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，推动紫蜂技术发展的主要组织是Zigbe联盟。

ZigBee（紫蜂）无线网络技术简介新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)协议。

ZigBee是一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

ZigBee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，主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。

在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee 联盟负责。

ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。

ZigBee技术的主要优点有：＊省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时，当然不同的应用功耗是不同的；＊可靠：采用了碰撞避免机制，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。

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；＊成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的；＊时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

《zigbee技术》课件

《Zigbee技术》PPT课件
Zigbee技术是一种低功耗、低成本的无线网络技术，被广泛应用在智能家居、工业自动化、医疗设备等领域。本课件将介绍Zigbee技术的概述、体系结构、协议栈、应用开发等方面内容，并展望Zigbee的未来发展。
什么是Zigbee技术
Zigbee技术是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，具有自组织、自修复和低功耗的特点。广泛应用于物联网、智能家居、工业自动化等领域。
Zigbee技术的体系结构
Zigbee技术架构
Zigbee技术采用星型和网状的网络拓扑结构，支持端到端和多对多通信。
信道和通信方式
Zigbee技术工作在2.4GHz和915MHz等无线频段，使用短距离、低速率的无线通信方式。
特性和优点
Zigbee技术具有低功耗、多设备互联、网络扩展性强、安全性高等特点。
5
APL层
应用层负责具体应用的开发和实现，包括应用的业务逻辑。
Zigbee应用开发
开发环境搭建
搭建开发环境，包括编译器、开发板、调试器等工具的配置。
应用开发流程
应用实现案例
从需求分析、设计到编码和测试，完成Zigbee应用的开发过程。
通过实例演示Zigbee应用的开发，如智能家居控制、物联网传感器。
Zigbee网络管理与安全
1网络拓扑维护源自2维护网络拓扑结构，包括路由维护、邻居
表维护等，保证网络的稳定性。
3
Zigbee设备的加入和离网管理
管理Zigbee设备的接入和退出，实现设备的自动配置和网络的动态扩展。
安全措施与加密机制
采取安全措施保护网络的数据传输和设备的认证，使用加密机制提高通信的安全性。

Zigbee简介

Zigbee简介ZigBee（紫蜂）技术是一种低复杂度、低耗电、低数据传输速率、低成本、高可靠且便于组网的双向短距无线通讯技术。

早期曾被称“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，现统称为ZigBee技术。

它是基于IEEE批准通过一个无线个人区域网标准研制开发的，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee协议栈是基于IEEE802.15.4的无线网络标准的，将IEEE 802.15.4与ZigBee技术对比，IEEE802.15.4定义了物理层（PHY)和介质访问层（MAC），而ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层（NWK)和应用层（API)。

其中，PHY层主要功能是启动和关闭无线收发器、信道选择、能量监测、链路质量监测、清除信道评估以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。

MAC层是信标管理、行道接入、时隙管理、发送确认帧、发送连接及断开请求。

并且，MAC层还为应用合适的安全机制提供了一些方法。

网络层主要用于建立和维护网络连接。

它独立处理传入数据的请求、关联、解除关联和孤立通知请求。

应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应有框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发应用。

ZigBee无线网络根据不同的需要可采用星状、串状、网状三种不同类型的网络配置，每种配置是由一个协调器（Coordinator)、多个路由器(Router)和多个终端设备节点（End device）组成。

Coordinator和Router均为实现了一组很多服务的全功能设备（Full Function Device,FFD)，终端设备可以为FFD或简化功能设备（RFD）。

一个网络配置仅有一个唯一的协调器负责与所控制的子节点通信，汇集数据和管理发布控制，路由器主要起到通信路由和网络扩展的功能。

其中Coordinator节点是发起网络的，它等待着Router和End —device节点的加入。

zigbee技术

1.ZigBee技术介绍1.1.什么是ZigBeeZigBee又叫紫蜂，是一种低功率无线电通信的开放标准，包括强大可靠的网络协议，安全服务和应用层，以确保设备间的互操作性。

ZigBee标准支持16个在全球范围内免许可证的2.4 GHz频段通道，通道数据传输速率达250kbps，同时也支持868/915MHz频段。

ZigBee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。

ZigBee强大的网络协议栈提供全网状路由功能，包括自动路由发现和修复，在不可预知的城市环境中，该功能对于网络的长期运作具有关键的作用。

ZigBee的超低能耗性能支持在非路由连接终端设备上使用电池进行长时间供电。

ZigBee还提供行业审查商业级的安全算法，它结合网络层和数据链路层（节点到节点）的公共密钥加密算法与密钥更新算法，以确保可靠的无线网络安全。

由于ZigBee设备易于安装和维护，既可靠又安全，并能够提供较长的电池寿命和高度可扩展的网络（成千上万的设备），同时可满足嵌入式设备较高的成本控制要求，ZigBee 标准越来越多地被用于连接设备到设备的传感器和控制应用程序。

1.2.ZigBee的应用范围1.3.主流无线通信技术的比较注：(1)单个子网最大节点数为理论值；(2)384Kbps为EGPRS理论传输值；(3)通信距离均为可视距离。

1.4.ZigBee技术的优势●低成本：使用ISM频段，无需申请License，无需缴纳专利费；●超低功耗：支持电池供电运行数年时间；●复杂性低，网络协议简单；●组网简单：自组网和自动路由功能使得网络的构建和维护变得十分容易；●稳定性高：网状网络提供高冗余通信路径，具备路由自动修补和优化能力，保证网络稳定可靠；CSMA/CD技术和重发确认机制确保了网络内数据通信的稳定性；●高安全性：提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128位加密算法；●兼容性：开放的标准使不同供应商的产品可以很容易实现互联互通；国际通用的免费频段使产品准入更为简单；●响应速度快：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短●网络容量大：单个子网可管理多达65535个节点。

ZigBee的概念

ZigBee的概念ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802．15．4标准规范的媒体访问层与物理层。

主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

ZigBee是一项新型的无线通信技术，适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。

ZigBee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间，依托专门的无线电标准达成相互协调通信，因而该项技术常被称为Home RF Lite无线技术、FireFly无线技术。

ZigBee无线通信技术还可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域，可省去计算机设备、一系列数字设备相互间的有线电缆，更能够实现多种不同数字设备相互间的无线组网，使它们实现相互通信，或者接入因特网。

ZigBee译为＂紫蜂＂，它与蓝牙相类似。

是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用（Sensor and Control）。

由IEEE 802．15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。

ZigBee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。

相较于传统网络通信技术，ZigBee无线通信技术表现出更为高效、便捷的特征。

作为一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术，ZigBee无线通信技术其关于组网、安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802 15．4无线标准。

该项技术尤为适用于数据流量偏小的业务，可尤为便捷地在一系列固定式、便携式移动终端中进行安装，与此同时，ZigBee无线通信技术还可实现GPS功能。

ZigBee技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术，其由IEEE．802．15．4无线标准开发而来，拥有低复杂度和短距离以及低成本和低功耗等优点。

其使用了2．4GHz频段，这个标准定义了ZigBee技术在IEEE．802．15．4标准媒体上支持的应用服务。

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APS 安全管理模块
SPA 服务接入点
应用
…
对象 1
…
端点 1 服务接入点
APS 应用支持子层
APS 信息分析模块
网络层
公
ZDO
共
接
口
端点 0 服务接入点
SAP
服
网络
务
管理模块
接
入
点
ZDO 管理平面
SAP
网络安全管理模块
网络信息分析模块
SAP 服务接入点
服
路由管理模块
网络管理模块
务接入
如下图所示。在这种网络结构中设备之间传输数据时，可以通过路由器转发，即多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。网形拓扑结构具有强人功能。
网状拓扑
网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee的协议架构
1. zigbee网络协议栈概述
应用程序框架
应用层
ZDO
应用对象 240
端点 240 服务接入点
1. 紫蜂技术（ZigBee）简介
ZigBee这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。借此意义 Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。
紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。
2．帧定界符(SFD)为11100101，一个字节，用来标示同步码的结束和数据包的开始。
3．物理层帧首部由一个字节组成，最高位保留，后七位用来表示有效载荷的数据长度。
4．PSDU域是物理层携带的有效载荷，长度为0到127 字节。长度为5字节时为MPDU(确认帧)，长度大于7 字节时为MAC层的有效帧，其余长度的作为保留。
00：PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：表示64位物理地址
帧首部—控制域
帧控制域结构
(7)源地址模式子域的长度2位，它表示的意义如下：
00： PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：“表示64位物理地址
精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)，只具有部分功能的精简功能设备。RFD的功能非常简单，存储容量要求很少，可以用最低端的微控制器实现，在网络里只能作为终端设备。
ZigBee的网络组成和网络拓扑
------ZigBee网络的设备类型
按照功能分为三类：协调器、路由器和终端设备。
也可以是RFD。显然，树形结构是由星形网络扩展而来。树形网络中只有父
子节点之间可以进行数据传输，数据沿树形结构向上或向下传输，从一个节点传输到相邻的节点称为“一跳”。如图所示：
网状拓扑结构
在网形拓扑结构的网络中有一个网络协调器，通信范围内的全功能节点之间可以相互通信，每个全功能节点都具有路由功能。
源 PAN 标识符
MHR（MAC层帧头）
0/2/8字节可变 2字节
源地址帧载荷 FCS
MAC 载荷
MFR
图 4-12 MAC子层数据帧格式
帧首部—控制域
1．帧控制域帧控制域的长度为16位，其结构如图：
帧控制域结构 (1)帧类型子域定义了四种帧类型：信标帧(000)、数据帧(001)、确认帧 (010)、命令帧(011)。 (2)安全允许控制子域为1位，该位置1，则对该帧进行加密处理后再传送到物理层；该位置0，则直接传送到物理层，不进行加密。
2.物理层协议规范
物理层协议数据单元结构(PPDU)又称物理层数据包，是由附加的同步包头、物理层包头和物理层有效载荷(PSDU)组成，结构如图：
物理层协议数据单元结构
物理层协议数据单元各字段
1．前同步码由32个0组成，接收设备根据接收到的同步码获取同步信息识别每一位，从而进一步区分出“字符"。
（6）工作频段灵活。使用的频段分别为 2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。
ZigBee的网络组成和网络拓扑 ------ZigBee网络的设备类型
ZigBee网络中的设备按照性能分为两类：全功能设备和精简功能设备。
全功能设备(Full Function Device，FFD)，具有完整功能的全功能设备，支持协议标准定义的所有的功能和特性。
星形拓扑结构
1．星形拓扑结构
星形拓扑结构的网络由一个协调器节点和若干从设备节点组成。协调器负责网络的建立维护和数据转发，从设备只能和协调器进行直接数据传输，而与其他终端设备之间数据传输必须经过网络协调器转发。从设备可以是FFD也可以是RFD。星形结构通常用于小范围的场合。
星形拓扑结构
入（CSMA-CA）机制；（6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠
的通信链路。
帧结构
一个完整的MAC帧(MPDU)由帧首部、帧载荷和帧尾三部分构成，其通用格式如图：
2字节
帧控制
1字节
序列号
0/2字节
目的 PAN 标识符
0/2/8字节
目的地址ห้องสมุดไป่ตู้
0/2字节
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。
ZigBee 的MAC层的任务是为两个ZigBee设备的MAC层实体之间提供可靠的数据链路，处理所有物理层无线信道的接入。它通过公共部分子层服务接入点提供数据服务，通过管理实体服务接入点提供管理服务。 MAC层的主要功能包括：
MAC层功能
（1）网络协调器产生网络信标；（2）与信标同步；（3）支持个域网链路的建立和断开；（4）为设备的安全提供支持；（5）信道接入当时采用免冲突载波检测多址接
例如图所示，0节点作为网络协调器，负责建立网络，1到8节点作为从设备节点接入网络，这些节点都可以与0节点直接传输数据，而它们之间的数据传输必须由0节点转发。
树形拓扑结构
树形拓扑结构的网络由一个根节点和若干子节点构成，这些子节点可以有自己的子节点。
树的根节点是网络的协调器，因此必须是FFD；既有子节点又有父节点的节点作为路由器，也必须是FFD；只有父节点而没有子节点的节点叫做叶节点，既可以是FFD
ZigBee采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速率低功耗的无线网络传输技术，
采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)协议。
802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 ZigBee。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(3)未处理数据标记子域长度为1位，该位置1，则表示除该帧数据外，本设备还有应发送给对方的数据，因此，接收该帧的设备应向本设备再次发送请求数据命令，直到所有的数据传送完毕。如果发送设备中已经没有要发送给接收方的数据了，就把该位置0。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(4)请求确认子域的长度为1位，该位置l时，接收方接收到有效帧后应向发送方发送确认帧，该位置0时接收方不需要发送确认帧。
ZigBee（紫蜂）技术
ZigBee技术特点 ZigBee网络组成 ZigBee网络的协议的框架结构 ZigBee路由协议
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。
1．信道选择(channel select)； 2．信道能量监测(energy detect)； 3．空闲信道评估(clear channel assessment)： 4．无线信道收发数据(PHY Protocol Data Unit)； 5．接收包链路质量检测；
2.物理层协议规范
ZigBee采用了扩频通信技术，在2．4GHZ频带上使用偏移正交相移键控调制法(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)，而在868／915MHZ频带使用二进制移相键控调制法(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。
点
SAP 服务接入点 MAC 层
SAP 服务接入点
SAP 服务接入点物理层
2.4 GHz
868/915 MHz
2.物理层协议规范
物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制方式和传输速率，而且还规定了物理层的功能和为上层提供的服务。物理层的主要任务是通过无线信道进行安全有效的数据通信，为 MAC层提供服务。它具备以下功能：
协调器(ZigBee Coordinator，ZC)必须是FFD，一个ZigBee网络有且仅有一个协调器，它的任务包括网络启动，信道选择，16位网络设备地址分配，发送时间信标，维护网络，具有最多的存储空间和计算能力。
路由器(ZigBee Router，ZR)必须是FFD，任务包括数据存储转发，邻居发现，路由发现和维护。
• ZigBee是一种开放的协议，物理层（PHY）和 MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如下：
ZigBee技术特点