短距離無線通信

短距離無線通信第1頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月短距離無線通信以及常用的方式什么是短距離無線通信短距離無線通信泛指在較小的區(qū)域內（數(shù)百米）提供無線通信的技術，目前常見的技術大致有802.11系列無線局域網(wǎng)、藍牙、HomeRF和紅外傳輸技術以及ZigBee技術。

什么是IEEE802.11系列標準IEEE802.11系列這是IEEE（Institute

for

Electrical

and

Electronic

Engineers電氣和電子工程師協(xié)會）制定的無線局域網(wǎng)標準，用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線數(shù)據(jù)業(yè)務接入。目前最為常見的是802.11b無線局域網(wǎng)，它使用開放的2.4GHZ微波頻段，最高速率為11Mbps；在惡劣環(huán)境下，可動態(tài)切換到較低的速率上以保證通信。在辦公環(huán)境下作用范圍約100米，在室外可以達到300米。另一種802.11a無線局域網(wǎng)工作在5G的頻段上，速率可達到54Mbps，但設備昂貴，應用較少。

第2頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-什么是ZigBee?ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點：省電、簡單、成本又低的規(guī)格；ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制等。ZigBee無線可使用的頻段有3個,分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個，在中國采用2.4G頻段，是免申請和免使用費的頻率。第3頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月容易與ZigBee混淆的幾個概念物聯(lián)網(wǎng)

通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。無線傳感網(wǎng)絡大規(guī)模，無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎設施支持的網(wǎng)絡．其中的節(jié)點是同構的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點不移動，被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡系統(tǒng)有盡可能長的工作時間。在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網(wǎng)絡使用，為明確起見，一般稱無線傳感器網(wǎng)絡(WSN．WirelessSensorNetwork)。第4頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-短程無線網(wǎng)絡標準WWANWMANWLANWPAN傳輸范圍0.011010.11001000數(shù)據(jù)傳輸率（Mbps）第5頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-短程無線網(wǎng)絡標準文本因特網(wǎng)/聲音壓縮圖片多通道數(shù)字圖像低<實際數(shù)據(jù)傳輸率>高短程<傳輸范圍>長程第6頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-無線網(wǎng)絡標準的比較第7頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee標準的應用

ZigBee和802.15.4標準都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近；

ZigBee無線技術適合組建WPAN網(wǎng)絡，就是無線個人設備的聯(lián)網(wǎng)，對于數(shù)據(jù)采集和控制信號的傳輸是非常合適的。

ZigBee技術的應用定位是低速率、復雜網(wǎng)絡、低功耗和低成本應用第8頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee與IEEE802.15.4ZigBee是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術，IEEE802.15.4僅處理MAC層和物理層協(xié)議，ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行了標準化。ZigBee是由ZigBeeAlliance所主導的標準，定義了網(wǎng)絡層（NetworkLayer)、安全層（SecurityLayer）、應用層（ApplicationLayer)、以及各種應用產(chǎn)品的資料（Profile）;而由國際電子電機工程協(xié)會（IEEE）所定制的802.15.4標準，則是定義了物理層（PHYLayer)及媒體存取層（MediaAccessControlLayer;MACLayer)。第9頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee協(xié)議棧8位處理器協(xié)議棧簡介緊湊4K-32k網(wǎng)絡主節(jié)點容納網(wǎng)絡內所有節(jié)點的設備信息、數(shù)據(jù)包轉發(fā)表、設備關聯(lián)表、與安全有關的密鑰存儲等。第10頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee協(xié)議棧的特點

ZigBee采取了IEEE802.15.4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點；ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用軟件，更加適合于產(chǎn)品技術的一致化，利于產(chǎn)品的互連互通；

ZigBee繼續(xù)與IEEE緊密結合，以保證向市場提供一種完整的集成解決方案第11頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee頻帶和數(shù)據(jù)傳輸率ZigBee無線可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個；ZigBee在中國采用2.4G的ISM頻段，是免申請和免使用費的頻率，在2.4G的頻段上具有16個信道，帶寬為250K。

第12頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee物理信道ZigBee在2.4G的頻段上具有16個信道，從2.405GHz—2.480GHz間分布，信道間隔是5M，具有很強的信道抗串擾能力。

第13頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構星型網(wǎng)狀型簇狀型網(wǎng)絡協(xié)調器全功能設備(FFD,Router):可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信精簡功能設備(RFD):只支持星型結構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。第14頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee網(wǎng)絡拓撲特點ZigBee技術具有強大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實際項目需要來選擇合適的網(wǎng)絡結構；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能；星型和族樹型網(wǎng)絡適合點多多點、距離相對較近的應用。第15頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)絡設備類型網(wǎng)絡協(xié)調器：包含所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由消息、不斷地接收信息。全功能設備（FFD）：可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調者，形成網(wǎng)絡，讓其他的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。

.附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征

.更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用

.也能用作終端設備精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息。

.附帶有限的功能來控制成本和復雜性

.在網(wǎng)絡中通常用作終端設備。

.ZigBee相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。RFD由于省掉了內存和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。第16頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)絡設備類型ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器也就是網(wǎng)絡的中心節(jié)點；ZIGBEE全功能設備(FFD)也就是網(wǎng)絡中的路由或中繼；精簡功能設備(RFD)也就是網(wǎng)絡中的終端節(jié)點。第17頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)狀（MESH）網(wǎng)絡MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過多級跳的方式來通信；Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結構，其路由可自動建立和維護該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；MESH網(wǎng)絡機構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡節(jié)點規(guī)模；MESH網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。

第18頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)狀（MESH）網(wǎng)絡Mesh是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡結構，其路由可自動建立和維護。通過以上ZigBeeMesh結構圖可以得知，一個ZigBee網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)絡協(xié)調器，但可以有若干個路由器。協(xié)調器負責整個網(wǎng)絡的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡的通訊節(jié)點（網(wǎng)關）。構成協(xié)調器和路由器的器件必須是全功能器件（FFD），而構成終端設備的器件可以是全功能器件，也可是簡約功能器件（RFD).第19頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee網(wǎng)狀（MESH）網(wǎng)絡ZigBee采用按需路由算法AODV，在節(jié)能和網(wǎng)絡性能上都有著很大的優(yōu)勢。AODV路由協(xié)議是一種基于距離矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要節(jié)點維持通信過程中未達目的節(jié)點的路由。節(jié)點僅記住下一跳，而非像源節(jié)點路由那樣記住整個路由。它能在網(wǎng)絡中的各移動節(jié)點之間動態(tài)地、自啟動地建立逐跳路由。當鏈路斷開時，AODV會通知受影響的節(jié)點，從而使這些節(jié)點能被確認為無效路由。AODV允許移動節(jié)點響應鏈路的破損情況，并以一種及時的方式更新網(wǎng)絡拓撲。AODV操作是無還回的，并避免了當Adhoc網(wǎng)絡拓撲變化時快速收斂的無限計算問題（特別是當一個節(jié)點進入網(wǎng)絡時）。第20頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee通信可靠性保證物理層RF通信連接■直序擴頻采用高處理增益■明晰的信道檢測■對干擾能量進行檢測

協(xié)議■基于CRC的誤碼監(jiān)測/校正■采取了避免沖突的策略CSMA/CA■為固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用的有保證的時隙■發(fā)送的數(shù)據(jù)包都有待于接收方的確認，如出現(xiàn)問題進行重發(fā)■保持數(shù)據(jù)包的及時傳輸Packetdatafreshness第21頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee通信可靠性保證通信可靠機制■ZigBee采用了CSMA-CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；明晰的信道檢測■MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接受方的確認信息。網(wǎng)絡的自組織自語能力強■ZigBee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連結關系，組成結構化的網(wǎng)絡；■ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應的調整，無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。第22頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee通信可靠性保證在低信噪比的環(huán)境下ZigBee具有很強的抗干擾性能。ZigBee技術在相同的環(huán)境中，ZIGBEE抗干擾性能遠遠好于藍牙和WLAN

誤碼率信噪比dBbluetooth第23頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee通信可靠性保證如上圖比較所示，在紅色點同等環(huán)境中，ZigBee的抗干擾性能是藍牙、WLAN和FSK的1000倍。第24頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZIGBEE技術的抗干擾設計ZIGBEE在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術（DirectSequence/FrequencyAgility）；

ZIGBEE的處理增益最大，抗干擾和抗多徑時延擴展的能力也越強；

ZIGBEE具備的頻率快變就是改變頻率，以避開從一個已知干擾源或信號源來的影響的能力；實驗證明IEEE802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達到10-9；達到同樣誤碼率，藍牙/802.15.1信噪比要達16dB，802.11b要達10dB，ZIGBEE的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術。第25頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZIGBEE和FSK電臺性能比較

第26頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZIGBEE和藍牙性能比較

第27頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee技術優(yōu)勢數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒-250KB/秒，專注于低傳輸應用功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6-24個月成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65000個設備時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強，通信可靠數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法（美國新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一），各個應用可靈活確定其安全屬性工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、86MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照（免費）的頻段第28頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介-ZigBee應用條件低功耗；低成本；較低的報文吞吐率；需要支持大型網(wǎng)絡接點的數(shù)量級；對通信服務質量QoS要求不高（甚至無QoS）；需要可選擇的安全等級（采用AES-128），+加密+發(fā)送鑒別+報文的完整性需要多方面的較復雜的網(wǎng)絡拓撲結構應用；要求高的網(wǎng)絡自組織、自恢復能力。第29頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術簡介—ZigBee應用場合無線傳感器網(wǎng)絡WSN；帶負載管理功能的自動抄表(AMR)系統(tǒng)；智能交通、油氣生產(chǎn)遙測遙控通信系統(tǒng)；監(jiān)控照明、HVAC和寫字樓安全;農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測、水利水文監(jiān)測無線通信；工業(yè)制造、過程控制遙測遙控；對病患、設備及設施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控；家庭監(jiān)控、HVAC、安防報警系統(tǒng)運用；有源RFID應用，用于產(chǎn)品運輸、產(chǎn)品跟蹤、存儲較大物品和財產(chǎn)管理；軍事應用，包括戰(zhàn)場監(jiān)視和機器人控制；汽車應用，配合傳感器網(wǎng)絡報告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)。第30頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月ZigBee技術應用解決方案結合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡第31頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月系統(tǒng)概述及應用領域系統(tǒng)概述

利用GPRS網(wǎng)絡傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡設計，網(wǎng)絡采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee傳感器節(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，并利用GPRS網(wǎng)絡傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡需要依托有線公共網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗疲咕W(wǎng)絡具有非常顯著的優(yōu)點；利用ZIGBEE技術優(yōu)勢組建無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，并可以按照區(qū)域布置不同的匯接點，這個匯接點就是ZIGBEE的中心節(jié)點；

遠程管理中心通過GPRS等公共信道與ZIGBEE網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程通信，通過GPRS網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。系統(tǒng)應用無線傳感器網(wǎng)絡WSN遠程數(shù)據(jù)采集遠程控制網(wǎng)絡

遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)遠程集抄系統(tǒng)第32頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月基于ZigBee技術的無線三表遠程抄表系統(tǒng)第33頁，課件共40頁，創(chuàng)作于2023年2月基