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Chapter 4: 802.15.4/Zigbee （一）概述 Ke Shi HUST
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Chapter 4: 802.15.4/Zigbee（一）概述
Ke Shi HUST
4-1.2 Ke Shi © 2014, http://www.iothust.org/courses Communication in the Internet of Things
提纲
n 4.1概述n 4.2物理层n 4.3 MAC层n 4.4网络层n 4.5应用
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4.1 概述 发展历程
n 发展历程
l 典型的短距离无线通讯系统
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4.1 概述 发展历程
n 80年代,当单片机技术已经广泛普及，8051如日中天的时候,手机还是价值万元的大砖头,语音通讯也只有8K/S的通讯速度,无线通讯技术还是像美国摩托罗拉这样大公司实验室里的前沿。
n 90年代,向TI这样的大公司，投入巨资，开发短距离通讯芯片，10年努力,确以失败告终，有人统计过，那时在美国进行无线产品的项目开发, 有85%以上的开发项目会失败。复杂的高频，昂贵的设备，完全被封锁的技术，无线还只是在“天上”。
n 最成功的应用，应该是汽车遥控器和车库门遥控这样的简单技术。Ke
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4.1 概述 发展历程
n 80-90年代无线产品应用
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4.1 概述 发展历程n 无线SOC技术，短距离无线通讯的曙光
l 2003年在欧洲的挪威，冒出了两家创新公司，分别是CHIPCON(2006年被TI公司2亿美元收购)，另一家是Nordic 公司。这两家公司采用CMOS高频技术，将无线收发器完全集成到芯片内部，外部只有很少的元件， 同时使电路板设计非常简化。另外，他们也将8051单片机和高频电路进行集成，这就诞生了”无线单片机”。
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4.1 概述 发展历程
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4.1 概述 发展历程
l 射频SoC单片机(简称无线单片机)的出现，为不具备无线通讯经验和高频电路经验的电子工程师，提供了非常简单的解决方案。这是因为：
41)专门的设计，将全部的高频部分电路集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有简单的滤波电路，系统设计者完成不必进行任何高频电路设计；
42)采用特殊设计，使8051的微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小；
43)设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，简化为对寄存器的简单操作处理，即你只需要对这些寄存器进行操作，就可以轻松完成无线通讯功能。
4代表作有 NRF2401， CC1000， NRF905， NRF9E5，CC1010，CC2430…….
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4.1 概述 发展历程
n 无线单片机的普及为短距离无线通讯带来的全新变化
l 高度集成SOC，简化了高频设计，使开发无线应用设计转移到以软件代码为中心；
l 大量低价格，直观显示为特点的无线开发、测试工具的诞生，使无线应用开发成本大大降低, 在家建立自己的无线开发平台不是梦想；
l 无线SOC得到了非常广泛应用，特别是无线鼠标，键盘和游戏摇杆等方面。
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4.1 概述 发展历程
n SOC短距离无线应用的深入，对低成本无线网络技术提出了需求
l 应用中很多节点在密集区域 —— 需求组网，高效率空中防碰撞。
l 工业应用中环境复杂，要求穿透多层水泥墙等障碍物，传输路径不定——需求无线路由(多跳通信）。
l 高通讯可靠性——防干扰，加密。l 低功耗。
l 容易安全接入和安装 ——自组网，自恢复网络，网络安全。
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4.1 概述 发展历程
n 国际著名soc半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者成立了一个非牟利业界组织 zigbee联盟，目的在于制定一个基于IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用技术——zigbee。生产商可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种无线产品。
n Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含此寓意。Ke
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4-1.12 Ke Shi © 2014, http://www.iothust.org/courses Communication in the Internet of Things
4.1 概述 发展历程
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4.1 概述 Zigbee
n ZIGBEE回应了无线SOC发展的需求l ZigBee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗， 以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。
l ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
l Zigbee是 IEEE 802.15.4的扩展， ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层。Ke
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4-1.14 Ke Shi © 2014, http://www.iothust.org/courses Communication in the Internet of Things
4.1 概述 Zigbee
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4.1 概述 Zigbee
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4.1 概述 Zigbee
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4.1 概述 Zigbee
n Zigbee技术的表现形式l 由各种软件代码，分层次组成的软件协议栈。
l 代码分类：应用层，应用安全层，网络层，MAC层等等。
l 代码形式：源代码和库文件。
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4.1 概述 Zigbeen 协议栈各层功能介绍
l PHY定义zigbee设备的物理信道（频谱）。l MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信。l 网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找以及传送数据等功能，支持Cluster-Tree，AODV，Cluster-Tree＋AODV等多种路由算法，支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构
l 应用层由用户开发提供功能服务函数。
l 安全服务提供层提供信息安全加锁服务。
l SAP是为某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee的不同层与MAC就是通过服务接入点(SAP)进行连接。
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4-1.19 Ke Shi © 2014, http://www.iothust.org/courses Communication in the Internet of Things
4.1 概述 Zigbee
n ZigBee和简单无线通信之间最大区别l 简单的点到点，点到多点通讯（目前很多这样的数传模块），包装结构比较简单，主要为同步序言，数据，校验几部分组成。而ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间，地址，命令，同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，而这正是ZigBee可以实现网络组织管理，实现高可靠传输的关键。
l 同时，ZigBee采用了MAC技术和DSSS（直扩序列调制）技术，能够实现高可靠，大规模网络传输。
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4.1 概述 Zigbee拓扑结构n ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH 网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；
n MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信； 该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；
n 星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。
星型
Mesh网状网
簇状网
网络协调器Coordinator
路由节点 Router
终端节点Ke Shi HUST
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4.1 概述 ZigBee 网络设备类型
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4.1 概述 ZigBee 网络设备类型
n 协调器
l 上电启动和配置网络（例如设定网络标示符，选择信道，发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息
n 路由器
l (1)允许其他网络设备加入l (2)多路跳由l (3)协助电池供电的子节点通信l (4)自己作为终端节点应用
n 终端节点
l 向路由节点传递数据，可选择睡眠与唤醒。Ke Shi HUST
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4.1 概述 ZigBee 网络设备类型
n 全功能设备（FFD）：l 可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是RFD连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
l 附带由标准指定的全部 802.15.4功能和所有特征l 更多的存储器、计算机能力可使其在空闲时起网络路由作用。
l 也可能做终端设备
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4.1概述 ZigBee 网络设备类型
n 精简功能设备（RFD）：l RFD只能传送信息给 FFD或从 FFD接收信息。l 附带有限的功能来控制成本和复杂性
l 在网络中通常用作终端设备。
l ZigBee 相对简单的实现自然节省了费用。RFD 由于省掉了内存和其他电路，降低了 ZigBee 部件成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。
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4.1概述 ZigBee网络设备地址n 设备寻址 Device addressing
l 在同一物理信道上通信的两个或多个设备构成一个PAN Twoor more devices communicating on the same physical channelconstitute a PAN.4一个PAN至少有一个全功能设备充当协调器 A PAN includes at least one
FFD (PAN coordinator)4每个PAN有一个标识符 Each independent PAN will select a unique PAN
identifier4 PanlD唯一标识一个Pan，同一个Pan中的所有device使用同一个PanlD4 PanlD由两个字节组成，其中0xFFFF表示广播地址。当MAC帧首部的目的PanlD字段为OxFFFF时，表示这个帧是发给所有Pan的
4在实际应用中，PanlD一般由Pan Coordiantor选取。Pan Coordiantor在发起一个Pan之前，首先调用MAC层的scan原语，执行passive scan和active scan，获得了周围节点使用的PanlD。Pan Coordiantor 据此选择一个与周围节点不同的PanlD，发起自己的Pan。
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4.1概述 ZigBee 网络设备地址
l 64位的设备地址（IEEE Address），也叫物理地址，64位地址在所有ZigBee设备之中是唯一，其中包含一个由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定组织标识符OUI（Organizationally Unique Identifier），一般把它存放在节点的ROM中，它不会随网络拓扑的改变而改变。
l Each device operating on a network has a unique 64-bit extended address. This address can be used fordirect communication in the PAN
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4.1概述 ZigBee网络设备地址l 16位的短地址即网络地址，当设备加入PAN时，从允许其加入的父设备上获取16位网络地址。该地址在PAN中唯一，用于数据传输和数据包路由。
l A device also has a 16-bit short address, which is allocated bythe PAN coordinator when the device associates with itscoordinator.
l 合法的短地址范围是0x0000—0xFFFD。0xFFFE表示节点已经加入了网络但没有从父节点处获得短地址，这时节点只能用自己的长地址收发数据包。0xFFFF是广播地址。节点加入网络时，首先执行passive scan或active scan，收集周围Coordiantor的信息。然后选择一个Coordiantor作为父节点，并调用MAC层的MLME- ASSOCIATE.request 原语加入网络。这时父节点可以根据地址分配算法为子节点分配一个16位短地址(0x0000—0xFFFD)，或不分配地址(返回0xFFFE)。当子节点获得了短地址之后，就可以使用短地址传输数据包了。
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4.1概述 ZigBee 网络设备地址
l 使用短地址的好处在于它可以减少MAC报文头部地址字段的数据开销： 同时，短地址可以提供路由信息。例如ZigBee的短地址是按照树状拓扑来分配的，因此可以很容易的根据短地址计算出树状路由中MAC层的下一跳地址。
l 与长地址不同，短地址会因为节点的失效、退出、重新加入等原因而改变。
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4.1概述 ZigBee技术优点
①低功耗 ②低成本
③低速率 ④近距离
⑤短时延 ⑥高容量
⑦高安全 ⑧免执照频段
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4.1概述 ZigBee技术优点
n ①低功耗
l 在低耗电待机模式下, 2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。
l 这是Zigbee的突出优势（在传感控制领域）。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
n ②低成本
l 通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。Ke
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4.1概述 ZigBee技术优点
n ③低速率
l Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz) 、 40kbps(915MHz) 和 20kbps(868MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。
n ④近距离
l 传输范围一般介于10～100 m 之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3 km。
l 这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远（理论上无限）。 Ke
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4.1概述 ZigBee技术优点
n ⑤短时延
l Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms ,节点连接进入网络只需30ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。
n ⑥高容量
l Zigbee可采用星状、树状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点, 最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000个节点的大网。
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4.1概述 ZigBee技术优点
n ⑦高安全
l Zigbee提供了三级安全模式4 1包括无安全设定4 2使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据4 3 采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码, 以灵活确定其安全属性。
n ⑧免执照频段
l 采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2.4GHz (全球)、915 MHz(美国)和868 MHz(欧洲)。
l 此三个频带物理层并不相同,其各自信道带宽也不同,分别为0.6MHZ, 2MHZ和5MHZ.分别有1个10个和16个信道.
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End of Chapter 4-1
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