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,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2013/1/12,集成电路与物联网工程,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2003-4-25,#,数字集成电路设计与系统应用专业,物联网技术,The Internet of Things,Technology,徐宪清,一、,ZigBee,协议标准,1.1 ZigBee,概述,1,、,ZigBee,的由来,ZigBee,技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在,ZigBee,方案被提出一段时间后，,IEEE 802.15.4,工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终,Zigbee,联盟和,IEEE 802.15.4,工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为,“,ZigBee”,。,ZigBee,的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年。,ZigBee,无线设备工作在公共频段上,(,全球,2.4GHz,、美国,915MHz,、欧洲,868MHz),，传输距离为,10,75m,，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。,ZigBee,的通信速率在,2.4GHz,时为,250kbps,，在,915MHz,时为,40kbps,，在,868MHz,时为,20kbps,。,相对于现有的各种无线通信技术，,ZigBee,是最低功耗和成本的技术。由于,ZigBee,的低数据率和通信范围较小的特点，决定了它适合于承载数据流量较小的通信业务。,数据,Zigbee,互联网,/,语音,802.11b,传输速率,蓝牙,2,蓝牙,1,802.11a/HL2,802.11g,压缩视频文件,多通道,数字视频,802.5.3/WIMEDIA,传输距离,协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种形式。,目前市场上出现了较多的,ZigBee,芯片产品及解决方案，有代表性的包括,Jennic,公司的,JN5121/JN5139,、,Chipcon,公司的,CC2430/CC2431,（被,TI,公司收购）和,Freescale,公司,MC13192,、,Ember,公司的,EM250,、,ST,公司的,STM32W108,等系列的开发工具和芯片。,2,、,ZigBee,协议框架,完整的,ZigBee,协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。数据链路层可分为逻辑链路控制子层,(LLC),和介质访问控制子层,(MAC),。,物理层采用直接序列扩频,(DSSS),技术，定义了三种流量等级：当频率采用,2.4GHz,时，使用,16,信道，能够提供,250kbps,的传输速率；当采用,915MHz,时，使用,10,信道，能够提供,40kbps,的传输速率；当采用,868MHz,时，使用单信道，能够提供,20kbps,的传输速率。,直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。,ZigBee,主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持三种拓扑结构：星型,(Star),结构、网状,(Mesh),结构和簇树型,(Cluster Tree),结构。,星型网络最常见，可提供很长时间的电池使用寿命。网状网络可有多条传输路径，它具有较高的可靠性。簇树型网络结合了星型和网状型结构，既有较高的可靠性，又节省电池能量。,功能简化型设备是网络中简单的发送接收节点，它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。,功能完备型设备是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。,ZigBee,的逻辑设备按其功能可分为,协调器,、,路由器,和,终端设备,。,协调器的作用在于启动网络初始化、组织网络节点和存储各节点信息。,路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息。,终端设备相当于网络中的叶节点，可以是任意类型的物理设备。,ZigBee,技术的主要特点包括：,(1),数据传输速率低：数据率只有,10kbps,250kbps,，专注于低传输应用。,(2),有效范围小：有效覆盖范围,10,75m,之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。,(3),工作频段灵活：使用的频段分别为,2.4GHz,、,868MHz,（欧洲）及,915MHz,（美国），均为无需申请的,ISM,频段。,(4),省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，,ZigBee,可确保两节五号电池支持长达,6,个月至,2,年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。,3,、,ZigBee,的技术特点,(5),可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。,(6),成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用,ZigBee,协议可免专利费。,(7),时延短：设备搜索时延的典型值为,30ms,，休眠激活时延的典型值是,15ms,，活动设备信道接入时延为,15ms,。,(8),网络容量大：一个,ZigBee,网络可容纳多达,254,个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达,100,个,ZigBee,网络。,(9),安全：,ZigBee,提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用,AES-128,，应用层安全属性可根据需求来配置。,1.2,网络层规范,网络层从功能上为,IEEE 802.15.4 MAC,子层提供支持，为应用层提供合适的服务接口。为了实现与应用层的接口，网络层从逻辑上分为两个具备不同功能的服务实体，分别是数据实体和管理实体。,8,位字节,2,2,l,l,变长,帧控制域,目标地址,源地址,半径,序列号,帧负载,路由域,帧头,网络负载,ZigBee,网络层的帧结构,帧控制域：由,16,位组成，内容包括帧种类、寻址、排序域和其它的控制标志位。,目标地址域：必备，有两个,8,位字节长，用来存放目标设备的,16,位网络地址或者广播地址,(0 xffff),。,源地址域：必备，有两个,8,位字节长，用来存放发送帧设备自己的,16,位网络地址。,半径域：必备，有一个,8,位字节长，用来设定传输半径。,序列号域：必备，有一个,8,位字节长，在每次发送帧时改为加,1,。,帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况决定。,1.3 ZigBee,网络系统的设计开发,1,、系统设计事项,(1)ZigBee,协议栈,ZigBee,系统软件的开发是在厂商提供的,ZigBee,协议栈的,MAC,和物理层基础上进行的。协议栈分有偿和无偿两种。,无偿的协议栈能够满足简单应用开发的需求，但不能提供,ZigBee,规范定义的所有服务，有些内容需要用户自己开发。,例如，,Microchip,公司为产品,PICDEMO,开发套件提供了免费的,MP ZigBee,协议栈；,Freescale,公司为产品,13192DSK,套件提供了,Smac,协议栈。,有偿的协议栈能够完全满足,ZigBee,规范，提供丰富的应用层软件实例、强大的协议栈配置工具和应用开发工具。,一般的开发板都提供有偿协议栈的有限使用权，如购买,Freescale,公司的,13192DSK,和,TI,公司的,chipcon,开发套件，可以获得,F8,的,Z-Stack,和,Z-Trace,等工具的,90,天使用权。单独购买有偿的协议栈及开发工具比较昂贵，在产品有希望大规模上市的前提下可以考虑购买。,(2)ZigBee,芯片,现在芯片厂商提供的主流,ZigBee,控制芯片在性能上大同小异。比较流行的有,Freescale,公司的,MCl3192,和,Chipcon,公司的,CC2420,。它们在性能上基本相同，两家公司提供的免费协议栈,MCl3192-802.15,和,MpZBee v1.0-3.3,都可以实现树型网、星型网和,MESH,网。,主要问题在于,ZigBee,芯片和微处理器,(MCU),之间的配合，每个协议栈都是在某个型号或者序列的微处理器和,ZigBee,芯片配合的基础上编写的。如果要把协议栈移植到其他微处理器上运行，需要对协议的物理层和,MAC,层进行修改，在开发初期这会非常复杂。因此芯片型号的选择应保持与厂商的开发板一致。,(3),硬件开发,ZigBee,应用一般采用两层到四层板结构，需要满足良好的电磁兼容性能要求。天线分为,PCB,天线和外置增益天线。多数开发板都使用,PCB,天线。在实际应用中外置增益天线可以大幅度提高网络性能，包括传输距离、可靠性等，但同时也会增大体积，需要均衡考虑。制版和天线的设计都可以参考主要芯片厂商提供的参考设计。,通常微控制器和,RF,芯片需要提供,3.3V,电源，根据不同的情况，可以使用电池或者市电供电。一般来说，,ZigBee,协调器和路由器需要市电供电，端点设备可以使用电池供电时，要注意,RF,射频芯片工作电压范围的设置。,ZigBee,网络系统的软件设计主要过程包括如下：,(1),建立,Profile,Profile,是关于逻辑器件和它们的接口的定义。,(2),初始化,它包括,ZigBee,协议栈的初始化和外围设备的初始化。,(3),编写应用层代码,ZigBee,设备都需要设置一个变量来保存协议栈当前执行的原语。,2,、软件设计过程,
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