ZigBee技术及应用介绍PPT课件

20世纪80～90年代，无线传感器网络的研究依旧主要 应用于军事领域，并成为网络中心站思想中的关键技术。
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1994年，加州大学洛杉矶分校的Willian J.Kaiser教授向美 国国防部高级研究计划局提交了研究建议书《低功率无线集 成微传感器》，以便于深入研究无线传感器网络。1998年， G.J.Pottie从网络的研究角度重新阐释了无线传感器网络的 科学意义。同年，美国国防部高级研究计划局投入巨资启动 SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。1999年9月， 美国《商业周刊》将无线传感器网络列入21世纪最重要的21 项技术之一，被认为是21世纪人类信息研究领域所面临的重 要挑战之一。
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1.1.2 无线传感器网络与Zigbee的关系 1. 无线传感器网络 无线传感器网络是指大量的静止或移动的传感器以自
组织和多跳的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、 采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息， 并报告给用户。
无线传感器网络起源于20世纪70年代，是一种特殊的 无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。 这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点只能 进行简单的点对点通信。
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3. 大容量 Zigbee设备既可以使用64位IEEE网络地址，又可以使 用指配的16位网络短地址。在一个单独的Zigbee网络内，理 论上可以容纳最多65 536个设备。 4. 可靠 无线通信是共享信道的，因而面临着众多有线网络所 没有的问题。Zigbee在物理层和MAC层采用IEEE802.15.4协 议，使用带时隙或不带时隙的“载波检测多址访问/冲突避 免”(CSMA/CA)的数据传输方法，并与“确认和数据检验” 等措施相结合，可保证数据的可靠传输。
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ZigBee技术在石油石化行业的应用
化工产品铁路槽车的远程信息处理
油船引擎振动监控
油罐车驾驶员安全措施
ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术在路灯行业的应用
ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术在路灯行业的应用
Zigbee无线智能照明——单灯控制方案 本系统由zigbee单灯控制器、zigbee+GPRS子网管理器和路灯监控软件组成，可以实现对路灯的实 时监控和管理，确保高效稳定、全天候运行，监控不必要的“全夜灯”照明，有效降低能源消 耗。对于城市公共照明系统来说，采用智能化的管理系统是实现能源节约、减少资源浪费、满 足人们生活需求、显示现代化城市靓丽风景的科学解决方案。
顺舟科技—工业无线数据通信专业开发商

ZigBee技术应用解决方案
基于ZigBee技术的油田油井遥测遥控无线通信
ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术在石油石化行业的应用
液化天然气罐远程监控
油气管线的腐蚀检测
润滑油供应链
油气管线侵入者检测
液化天然气 容器跟踪
ZigBee技术应用解决方案
系统组成 Zigbee单灯控制器：连接路灯，对每一盏灯进行开关、调光控制，并采集电压、电流、功率因素、 亮度、温度等信息。 Zigbee+GPRS子网管理器：是单灯控制器和路灯监控软件的通讯桥梁。它负责监控子网内的灯具， 将监控中心的命令下达给单灯控制器，将灯具及线路信息反馈给监控中心。子网管理器还可以 扩展回路控制功能。 路灯监控软件：提供友善的人机界面和高级管理功能，结合城市地理信息，配合硬件使各种繁 重、复杂、重复的工作在极短的时间内自动完成。
系统特点 采用世界领先的zigbee无线自组网技术，结合GPRS远传技术，随时随地远程控制 实现对路灯单灯控制，具有定时、分控、故障检测、防盗报警等功能 安装简便，无需布线，实现模块化安装 单灯控制与策略控制结合，能够实现一隔一、一隔二等各种亮灯方式 调光控制与隔盏亮灯结合，满足不同路段的亮灯需求 拓展雨雪传感器、光照度传感器，综合判断亮灯需求 监控中心与移动设备结合控制，方便工作人员现场调试 系统自动检测生成故障报表，实现订单式维修

电子工业出版社
第三章 ZigBee技术及应用
3、网络层（NWK） 网络层主要负责以下服务： 1）开始一个新网段，即发起一个新网络； 2）配置新设备：例如一个新的设备可以配置为ZigBee协调器或是加入现有网络； 3）通过接收器控制功能控制节点加入/离开网络； 4）使用网络层安全服务； 5）将帧路由至其目的地。只有ZigBee协调器和路由器可以转发消息； 6）发现和维护设备间的路由。这个能力是为了更有效的路由消息； 7）发现单跳邻居。邻居间可以直接通信而不需要经过任何其它设备的中继服务； 8）储存单跳邻居的信息； 9）为加入网络的设备分配地址。只有ZigBee协调器和路由器可以分配地址。
PPDU二进 制数据
二进制 数据符号
数据符号 数据码片
偏移四相位 （O-QPSK）
负责控制对物理信道的访问。主要实现以功能：
1）协调器的MAC层负责产生信标（beacon）； 2）与信标帧同步； 3）在两个对等的MAC实体间提供一条可靠的链路； 4）实现对个域网的关联与解除关联； 5）采用CSMA-CA机制控制信道访问； 6）维护设备安全； 7）维护时隙保障（GTS）机制； 8）负责维护PIB中与MAC层相关的信息，存储与MAC层相关的短常距离量无和线通属信性技术。及应用
寻址方式 信道接入 网络拓扑 功耗 状态模式
取值状态
868/915MHz和2.4GHz 868MHz:20kbps 915MHz:42kbps 2.4GHz:250kbps 868/915MHz:BPSK 2.4GHz:O-QPSK 直接序列扩频 10-100m 15-30ms 868MHz:1 915MHz:10 2.4GHz:16 64bitIEEE地址，16bit网络地址 CSMA/CA和时隙化的CSMA/CA 星形、树状、网状 极低 激活、休眠

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2. 集中管理
通过中央控制器或智能终端，实 现对家庭设备的集中管理和控制
。
02
1. 无线连接
通过无线通信技术，实现家庭设 备的互联互通，无需布线，方便
安装和使用。
04
3. 智能控制
根据用户需求和环境变化，自动 调整设备的工作状态，实现智能
化管理。
基于Zigbee技术的无线智能家居系统架构
Zigbee技术
基于Zigbee技术的无线
• Zigbee技术简介 • Zigbee无线通信技术原理 • 基于Zigbee技术的无线传感器网络 • 基于Zigbee技术的无线控制系统
• 基于Zigbee技术的无线智能家居系 统
• 基于Zigbee技术的无线医疗系统
01
Zigbee技术简介
Zigbee技术的定义
05 便携式设备
无线医疗系统是指利用无 线通信技术，实现医疗设 备、传感器和系统之间的 信息传输和数据交换，从 而为患者提供实时、远程 的医疗服务。
无需线缆连接，方便设备 移动和位置调整。
能够实时监测患者的生理 参数和健康状况。
实现远程诊断、治疗和健 康管理。
便于携带，适用于家庭、 医院和移动医疗应用。
02
Zigbee无线通信技术原理
Zigbee无线通信技术概述
Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的低速无线个域 网（WPAN）协议，用于短距 离、低功耗的无线通信。
它适用于各种应用，如智能家 居、工业自动化、环境监测等 领域。
Zigbee技术具有低成本、低功 耗、低复杂度等特点，可实现 多点对多点的无线通信。
康复治疗
在康复中心或医院中，通过无线 医疗系统对患者的康复情况进行 实时监测和记录，为医生提供科

–由用户或外界事件引发决定间歇长短 –如：电灯开关
• 重复而快速反应的数据通信
–指定固定的时隙进行通信 –如：鼠标、键盘
星形
不可以
只能与协调器通话
媒体接入控制层(3)
• 全功能器件 FFD
–可工作于所有网络结构 –可作为网络协调器 –可与网络中任何节点通信
• 简化功能器件 RFD
–仅可和网络中的FFD通信 –不能作为网络协调器
媒体接入控制层(4)
• 周期性的数据通信
–由用户决定周期的长短 –如：烟雾传感器
• 间歇性的数据通信
ZigBee网络中的三种设备类型
网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最 大、计算能力最强。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。
全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能
装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
• 附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征
• 更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。
• 也能用作终端设备 精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。
• 附带有限的功能来控制成本和复杂性
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自
动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
ZigBee与IEEE 802.15.4
ZigBee是一组基于IEEE批准的 802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、 安全和应用软件方面的技术。 IEEE 802.15.4仅处理MAC层和物理层协议， ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。

Zigbee技术在工业自动化领域的应用 前景同样不可小觑，可以实现设备的 远程监控、数据采集和自动化控制等 功能。
智能城市
Zigbee技术在智能城市领域也有着广 阔的应用前景，可以实现智能交通、 智能环保、智能安防等功能的智能化 管理。
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05
Zigbee技术发展趋势 与展望
Zigbee技术发展现状
01
全球Zigbee技术应用情况
Zigbee技术在全球范围内得到了广泛的应用，尤其在智能家居、工业
自动化、智能农业等领域。
02
中国Zigbee技术发展现状
中国在Zigbee技术方面也取得了一定的进展，在智能家居、智能城市
等领域得到广泛应用，但与国际先进水平仍存在一定差距。
智能农业系统中的Zigbee技术应用
智能灌溉
利用Zigbee技术实现农田的智能灌溉，根据土壤湿度和植物需 求进行精准灌溉。
智能温室控制
通过Zigbee技术实现温室的温度、湿度、光照等环境的自动调 节，提高农作物产量和品质。
农业物联网
利用Zigbee技术将各种农业传感器和设备连接起来，实现农业 生产的全面数字化和智能化。
详细描述
Zigbee技术是一种无线通信技术，基于IEEE 802.15.4标准，主要用于短距离、 低功耗的无线通信应用。它采用无线电波进行数据传输，适用于各种低速、低 成本、低功耗的无线通信场景。
Zigbee技术的特点
总结词
Zigbee技术具有低功耗、低成本、低速率、 高可靠性等特点。
详细描述
Zigbee技术具有以下特点
04
Zigbee技术应用案例
智能家居系统中的Zigbee技术应用
01

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)。
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
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。
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：

❖ 容量大：ZigBee网络可由一个节点管理若干子节点，最多一个节点可以管理 254个子节点，同时该节点还可由上一层网络节点管理，可组成65000个节点 的大型网络
❖ 时延短：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15ms， 节点连接进入网络只需要30ms。相对而言，蓝牙需要3~10s，WiFi需要3s。这 样一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合，例如一些 应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的 烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻 止火灾的发生。
ZigBee基础知识概要
Contents
1
ZigBee简介
2
ZigBee发展历史
3
ZigBee介绍
4
ZigBee技术应用案例
5
ZigBee小结Βιβλιοθήκη 22021/3/8
ZigBee简介
2021/3/8
❖ ZigBee这个字源于蜜蜂群发现食物源的时候，通 过跳“之”字形的舞蹈（Zig舞）在同伴中传递信 息，以到达彼此沟通讯息的目的，故以此做新一 代无线通讯技术的命名。
作用：
建立新网络， 保证数据的传 输。对数据进 行加密，保证 数据的完整性
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作用：
应用支持层根据 服务和需求使多 个器件之间进行 通信。
应用层主要根据 具体应用由用户 开发。
ZigBee含义
2021/3/8
❖ ZigBee三种含义：
这三种含义是三位一体的关系，联盟是协议和技术的主要开发者；协议犹如社会 法律、交通的规则，联盟和技术都要遵守；技术是联盟的和协议的载体和具体表现。 总而言之：三者是一个整体的三个方面。 ❖ 1. ZigBee联盟 ❖ ZigBee联盟2002年成立，现超过300多个成员单位。 ❖ 联盟使命：为可靠，低价、低功率无线联网的监控产品建立开放的全球标准。 ❖ 联盟目标：通过给日常设备注入无线能力和智能，简化使用，极大的提供灵活性和移 动性。 ❖ 联盟工作：（1）制定网络层、安全和应用层标准（网络七层OSI模型要熟记） ❖ （2）提供互操作和兼容性测试规范 ❖ （3）推广ZigBee品牌，提升市场感知度 ❖ （4）技术演进

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。
(5)PAN内部标记子域的长度为l位，该位置1时，表示 该MAC帧在本身所属的PAN内传输，这时帧的地址域 中不包含源PAN标识符；为0时，表示该帧是传输到 另一个PAN，帧中必须包含源节点和目的节点的PAN 标识符。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(6)目的地址模式子域的长度2位，它表示的意 义如下：
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.物理层协议规范—频段
物理层协议规范—频段
868 MHz 物理层 信道 0
915 MHz 物理层
信道 1～10
2 MHz
868.3 MHz 2.4 GHz 物理层
902 MHz 信道 11～26
908 MHz 5 MHz
2.4 GHz
Zigbee频率和信道分布
2.4835 GHz
3. MAC层协议规范
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

ZigBee技术体系
ZigBee协调器（Coordinator）
它包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的， 存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网 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信息并且不 断的接收信息。一旦网络建立完成,这个协调器的 作用就像路由器节点。
1)、家庭自动化(Home Automation；HA)；
2)、建筑/商业大楼自动化(Building Automation；BA)； 3)、先进抄表基础建设(Advanced Meter Infrastructure；AMI)；
ZigBee概述
• ZigBee 是一种开放式的基于IEEE 802.15.4 协定的无线个人局域网(Wireless Personal Area Networks)标准。 IEEE 802.15.4定义 了物理层和媒体接入控制层，而ZigBee则定 义了更高层如网路层及应用层等。
ZigBee概述
• ZigBee和其他两大主要无线网络科技的比较
ZigBee概述
• ZigBee联盟组成
–成立于2001年9月 –成员为半导体厂商、无线IP供应商、OEM厂商 及终端用户 –拥有150个成员，包括飞思卡尔、菲利普、三 菱、三星、IBM及华为等
• ZigBee联盟的宗旨
–在一个开放式全球标准的基础上使稳定的、低 成本的、低功耗的、无线联网的监控和控制产 品成为可能。
ZigBee技术体系
3.网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体 服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网 络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络 的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络 信息库（NIB）的维护和管理。

通过Zigbee技术实现对 空调、电视、冰箱等家 电的远程控制和智能管
理。
智能农业中的应用
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02
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智能灌溉
利用Zigbee技术实现农田灌 溉的远程控制和自动调节，提
高农业用水效率。
智能温室
通过Zigbee技术实现温室内 温度、湿度、光照等环境参数
的智能调节和控制。
智能养殖
利用Zigbee技术实现养殖环 境的智能监测和控制，提高养
通过Zigbee技术实现生产设备的远程监控和 维护，提高生产效率和产品质量。
工业安全监控
通过Zigbee技术实现工厂安全监控和预警， 保障工业生产安全。
智能医疗系统中的应用
智能医疗设备监控
利用Zigbee技术实现医疗设备的远 程监控和维护，提高医疗设备运行效 率。
无线生命体征监测
通过Zigbee技术实现病患生命体征 的实时监测和预警，提高医疗救治效 率。
无线组网技术
无线组网技术是Zigbee技术的另 一个重要组成部分，它支持多种 拓扑结构，如星型、树型灵活性 和可扩展性，能够根据实际需求
快速组建大规模网络。
Zigbee无线组网技术还支持自组 织和自修复功能，能够自动发现 和修复网络故障，提高网络的稳
定性和可靠性。
无线通信技术是Zigbee技术的核心，它负责节点间的信息传输。Zigbee采用了无线 电波进行通信，具有传输距离远、穿透力强、抗干扰能力好的特点。
Zigbee支持多种无线通信频段，包括2.4GHz、868MHz和915MHz等，可根据应用 场景选择合适的频段。
Zigbee无线通信技术采用了跳频扩频、直接序列扩频等高级无线通信技术，提高了 通信的可靠性和安全性。