Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用

Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用組員：鄒劍，王一松Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用1、zigbee技術的簡介2、zigbee技術的應用領域3、

物聯(lián)網(wǎng)的簡介4、zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的實現(xiàn)5、軟件實現(xiàn)架構Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用1.Zigbee的簡介1.1zigbee的來源Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用1.2IEEE802.15.4標準的提出

1、提出的原因：

近年來，由于無線接入技術的需求日益增大，無線通信和無線網(wǎng)絡均呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢。這有力的推動力無線通信向高速通信方向的發(fā)展。然而，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機構等都是無線通信還未涉足或者剛剛涉足的領域。這些領域對數(shù)據(jù)吞吐量的要求很低，功率消耗也比現(xiàn)有標準提供的功率消耗低。此外，為了促使簡單方便的、可以隨意使用的無線裝置大量涌現(xiàn)，需要在未來的個人活動空間內布置大量的無線接入點，因而低廉的價格將起到關鍵的作用。為了降低元器件的價格，以便于這些裝置批量生產(chǎn)，有必要發(fā)展出一個標準的解決方案。這個標準要解決的問題是，設計一個維持最小流量的通信鏈路和低復雜度的無線收發(fā)信機；要考慮的核心問題是低功耗和低價格的設計。這就要求該標準應提供低帶寬低數(shù)據(jù)傳輸速率的應用。2、IEEE802.15.4標準的優(yōu)點A:低功耗B:低價格C:低數(shù)據(jù)傳輸率Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用3、IEEE802.15.4標準制定小組的任務A：物理層(DSSS)：數(shù)據(jù)的調制發(fā)送和接收解調，介質選擇，信道選擇。B：MAC層(CSMA/CA)：產(chǎn)生網(wǎng)絡信標，支持設備的安全性等。1.3zigbee網(wǎng)絡協(xié)議的規(guī)范ZigBee是建立在IEEE802.15.4標準之上，由于IEEE802.15.4標準只定義了物理層協(xié)議和MAC層協(xié)議，于是成立了zigbee聯(lián)盟，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化，還開發(fā)了安全層。經(jīng)過ZigBee聯(lián)盟對IEEE802.15.4的改進，這才真正形成了ZigBee協(xié)議棧(Zstack)。Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee聯(lián)盟Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用2、zigbee技術的應用

一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，ZigBee技術將是最低功耗和成本的技術。同時由于ZigBee技術的低數(shù)據(jù)傳輸速率和通信范圍較小的特點，也就決定了ZigBee技術適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務如家庭自動化、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療設備控制等。此外，IEEE802.15.4標準無線技術在給定信噪比下誤碼率是最低的，ZigBee很容易擊敗藍牙、WiFi等無線技術。在可靠方面，很難找到什么技術能夠超越ZigBee。ZigBee技術不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領域有著巨大的應用價值，未來在應用中還可以涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領域。由于各方面的制約，ZigBee技術的大規(guī)模商業(yè)應用還有待時日，但已經(jīng)顯示出了非凡的應用價值，相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，一定會得到更廣泛的應用。但是我們還清楚的認識到，基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡才剛剛開始發(fā)展，它的技術、應用都談不上很成熟，國內企業(yè)應該抓住商機，加大投入力度，推動整個行業(yè)的發(fā)展。Zigbee—controlyourworldZigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用3、物聯(lián)網(wǎng)的簡介

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的又一次信息產(chǎn)業(yè)浪潮。物聯(lián)網(wǎng)對促進互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展、帶動人類的進步發(fā)揮著重要的作用，并將成為未來經(jīng)濟發(fā)展的新增點。目前，國外對物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)、應用主要集中在美、歐、日、韓等少數(shù)國家。在中國，物聯(lián)網(wǎng)日益受到重視，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)被正式列為國家重點發(fā)展的五大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一。

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的，它的定義很簡單：把所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理。國際電信聯(lián)盟2005年一份報告曾描繪“物聯(lián)網(wǎng)”時代的圖景：當司機出現(xiàn)操作失誤時汽車會自動報警；公文包會提醒主人忘帶了什么東西；衣服會“告訴”洗衣機對顏色和水溫的要求等等。具體來說，物聯(lián)網(wǎng)就是把感應器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、工廠排放口、大氣監(jiān)測點、流域斷面、水庫浮臺、生態(tài)監(jiān)測點、大壩、供水系統(tǒng)、油氣管道等人們日常工作、生活、娛樂、學習、活動的各種對象(物體)中，然后將它們與互聯(lián)網(wǎng)整合起來，實現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的融合。物聯(lián)網(wǎng)顛覆了人類之前物理基礎設施和IT基礎設施截然分開的傳統(tǒng)思維，使得政府管理、生產(chǎn)制造、社會管理以及人們的個人生活全面實現(xiàn)互聯(lián)互通。Zigbee—controlyourworld

通過物聯(lián)網(wǎng)，未來我們可以將世界上所有的物品都連接起來，并對遠程物體加以識別與管理，從而對經(jīng)濟社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響。物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、老人護理和個人健康等多個領域。根據(jù)2008年3月歐洲智能系統(tǒng)集成技術平臺（EPOSS）在《InternetofThingsin2020》報告中分析預測，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將經(jīng)歷四個階段，2010年之前RFID被廣泛應用于物流、零售和制藥領域，2010-2015年物體互聯(lián)，2015-2020年物體進入半智能化，2020年之后物體進入全智能化。據(jù)美國權威咨詢機構Forrester預測，到2020年，物物互聯(lián)業(yè)務將是現(xiàn)有人人互聯(lián)業(yè)務的30倍，成為一個極具吸引力的萬億級信息產(chǎn)業(yè)。在“物聯(lián)網(wǎng)”普及以后，用于動物、植物、機器和物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置的數(shù)量將大大超過手機的數(shù)量，“物聯(lián)網(wǎng)”將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場。物聯(lián)網(wǎng)正在引發(fā)新一輪的生活方式變革，而且已經(jīng)成為一個發(fā)展迅速、規(guī)模巨大的市場，被視為通信產(chǎn)業(yè)的巨大藍海。Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld2008年11月，美國IBM公司

對外公布了“智慧地球

”戰(zhàn)略，其中提到，在信息文明下一個發(fā)展階段，人類將實現(xiàn)智能基礎設施與物理基礎設施的全面融合，實現(xiàn)IT與各行各業(yè)的深度融合，從而以科學和智慧的方式對社會系統(tǒng)和自然系統(tǒng)實施管理。2008年12月，奧巴馬向IBM咨詢了智慧地球的有關細節(jié)，并共同就投資智能基礎設施對于經(jīng)濟的促進效果進行了研究。2009年1月7日，IBM與美國智庫機構信息技術與創(chuàng)新基金會（ITIF）共同向奧巴馬政府提交了文件，提出對信息通信技術的投資，2009年2月17日奧巴馬簽署生效的《恢復和再投資法案》（即美國的經(jīng)濟刺激計劃），批準推進“智慧地球”中兩個領域的發(fā)展—智慧的電網(wǎng)和智慧的醫(yī)療，前者批準投資為110億美元，后者為190億美元?！爸腔鄣厍颉钡玫矫绹鹘绲母叨汝P注，并上升至美國的國家戰(zhàn)略，由此引發(fā)了世界各國對物聯(lián)網(wǎng)的追捧。國外物聯(lián)網(wǎng)的進展：Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld2009年6月10日，中國科學院發(fā)布的“創(chuàng)新2050：科學技術與中國的未來，中國至2050年信息科技發(fā)展路線圖”描述了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線圖。

2009年8月7日，國務院總理溫家寶到無錫微納傳感網(wǎng)工程技術研發(fā)中心視察并發(fā)表重要講話，指出“在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術”；“在國家重大科技專項中，加快推進傳感網(wǎng)發(fā)展”；“盡快建立中國的傳感信息中心”。

為推進我國物聯(lián)網(wǎng)相關標準的制定工作，2009年9月11日，經(jīng)國家標準化管理委員會批準，全國信息技術標準化技術委員會組建了“物聯(lián)網(wǎng)”標準工作組。2010年3月5日，溫家寶總理在作政府工作報告時指出，要“大力發(fā)展新能源、新材料、節(jié)能環(huán)保、生物醫(yī)藥、信息網(wǎng)絡和高端制造產(chǎn)業(yè)。積極推進新能源汽車、‘三網(wǎng)’融合取得實質性進展，加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應用。加大對戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的投入和政策支持?！?010年6月8日，中國物聯(lián)網(wǎng)標準聯(lián)合工作組在北京成立，以推進物聯(lián)網(wǎng)技術的研究和標準的制定。國內物聯(lián)網(wǎng)的進展：Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld4、zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的實現(xiàn)搭物聯(lián)網(wǎng)順風車，ZigBee活躍新舞臺！在物聯(lián)網(wǎng)(InternetofThings)概念快速興起的影響下，機器對機器(M2M)通訊技術再度掀起市場話題，而原本多用于家電遙控器與遠程抄表系統(tǒng)的ZigBee技術，也搭上物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展熱潮，成為M2M通訊技術的重要選擇，并開啟許多新的應用商機。過去ZigBee雄心勃勃，并推出各種應用層規(guī)范，但市場卻遲遲未能起飛，主因即是沒有找到殺手級應用所致。而近期因應環(huán)保議題所提出的智能電網(wǎng)(SmartGrid)，由于須兼?zhèn)溟L短距通訊技術，加上ZigBee原本即在自動抄表市場有所斬獲，因而順勢成為ZigBee最新的發(fā)揮舞臺。不僅如此，ZigBee聯(lián)盟日前也與無線局域網(wǎng)絡聯(lián)盟(Wi-FiAlliance)達成合作協(xié)議，讓家用網(wǎng)絡可與智能電網(wǎng)有效連結，攜手搶攻智能電網(wǎng)市場。除了智能電網(wǎng)外，包括智能家電遙控器、醫(yī)療電子與物流等，也是ZigBee技術于M2M應用中的重要目標市場。業(yè)內人士指出，以物流產(chǎn)業(yè)為例，一般人會認為無線射頻識別(RFID)是主流的應用技術，但事實上，若物流業(yè)者想節(jié)省成本，則不會采用售價仍高的RFID標簽與讀取器(Reader)，而會以條形碼(Barcode)與條形碼機取代，此時，ZigBee技術將成為主要的后端無線傳輸技術，將信息傳送至中控中心。Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworldZigbee在家庭物聯(lián)網(wǎng)上的應用ZigBee技術與常用短距離通訊協(xié)議之間的比較：Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld從表中可以看出，ZigBee特別適合低數(shù)據(jù)速率下的控制以及傳感信號的傳輸，ZigBee聯(lián)盟也正在這方面大力拓展市場。ZigBee技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用有三個層次，一個是傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)"物"的識別；二是傳輸網(wǎng)絡，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；三是應用網(wǎng)絡，即輸入輸出控制終端，包括手機等終端。智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將家庭中各種設備互聯(lián)，以實現(xiàn)人與設備、設備與設備之間的“溝通”。例如，廚房中發(fā)生了煤氣泄漏，當煤氣傳感器監(jiān)測到煤氣泄漏時，就會通過ZigBee無線通信模塊將煤氣泄漏的消息“告訴”煤氣閥門控制器，讓它將煤氣閥門關上；同時也“告訴”排氣扇控制器，讓它打開排氣扇對廚房通風。再如，家中發(fā)生了火災，家庭內部的煙霧報警系統(tǒng)將會及時啟動，并通過互聯(lián)網(wǎng)、手機或電話網(wǎng)絡平臺通知物業(yè)管理中心或服務提供商,以及時排除險情,同時通過短信告知遠在公司上班或異鄉(xiāng)度假的用戶。前一假設通常是在家庭內部的ZigBee無線網(wǎng)絡中實現(xiàn),如果要實現(xiàn)后一假設中通過手機或互聯(lián)網(wǎng)訪問家庭設備,了解設備的運行狀態(tài),就需要用到網(wǎng)關。網(wǎng)關是連接不同網(wǎng)絡,使不同網(wǎng)絡互聯(lián)、互話的中介。在智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中,網(wǎng)關是核心,它連接著家庭內部的計算機局域網(wǎng)、ZigBee無線網(wǎng)絡、GPS網(wǎng)絡、PSTN網(wǎng)絡等。Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構：Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworld家庭網(wǎng)絡主要是利用ZigBee技術實現(xiàn)的無線傳感網(wǎng)絡，該部分有若干個節(jié)點，若干個接有傳感器的功能節(jié)點分別用作溫度、氣體濃度和門禁系統(tǒng)等的監(jiān)測。還有1個負責建立管理網(wǎng)絡的匯聚節(jié)點。各個節(jié)點間通過無線互聯(lián)進行通信，交換數(shù)據(jù)并最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。終端節(jié)點上的傳感器定期監(jiān)測環(huán)境信息并將采集的數(shù)據(jù)通過I/O中斷的方式傳送到ZigBee模塊上，ZigBee的MCU對數(shù)據(jù)處理后通過自身集成的無線射頻單元將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。匯聚節(jié)點接收各個終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)并發(fā)送各種控制信號給終端節(jié)點。家庭網(wǎng)絡：Zigbee技術在物聯(lián)網(wǎng)上的應用Zigbee—controlyourworldZigBee網(wǎng)絡設備和組網(wǎng)方式：網(wǎng)絡設備：

對于ZigBee網(wǎng)絡，IEEE802.15.4把網(wǎng)絡中的設備分為全功能設備（FFD）和簡化功能設備（RFD）。FFD實現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議的全集，而RFD則根據(jù)特定的應用需要只實現(xiàn)了IEEE802.15.4完整功能協(xié)議中的一部分。FFD之間以及FFD與RFD可以互相通信，而RFD之間不能互相通信，只能與FFD通信。FFD可以在網(wǎng)絡中扮演任何角色，而RFD只能充當終端設備。組網(wǎng)方式：

ZigBee主要采用3種組網(wǎng)方式：星狀、樹狀、網(wǎng)狀。每一個ZigBee網(wǎng)絡至少需要一個FFD(coordinator)實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)調管理。在星狀網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡協(xié)調器負責建立和維持網(wǎng)絡，而其他的設備(enddevice)直接和網(wǎng)絡協(xié)調器通