1、2022-8-14物联网应用技术与实践物联网应用技术与实践 2022-8-14第第5章章 网络与通信技术网络与通信技术 5.1 5.1 网络与通信技术概述网络与通信技术概述 网络与通信技术是物联网网络层的核心技术。物联网网络与通信技术是物联网网络层的核心技术。物联网的网络是物联网数据通信的基石，它是在现有通信网络的的网络是物联网数据通信的基石，它是在现有通信网络的基础上建立起来的。基础上建立起来的。物联网中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类物联网中连接终端感知网络与服务器的桥梁便是各类承载网络。物联网的承载网络包括互联网、无线广域网、承载网络。物联网的承载网络包括互联网、无线广域网、无线城
2、域网、无线局域网、无线个域网等。无线城域网、无线局域网、无线个域网等。2022-8-14互联网互联网物联网的核物联网的核心网络心网络无线个域网无线个域网蓝牙、蓝牙、ZigBee无线城域网无线城域网WiMax无线局域网无线局域网WiFi无线广域网无线广域网3G/4G网络层网络构建图网络层网络构建图2022-8-14 物联网在传输网络层存在各种网络形式，通常使用物联网在传输网络层存在各种网络形式，通常使用的网络形式有如下几种，它们主要承担着数据传输的功的网络形式有如下几种，它们主要承担着数据传输的功能。能。1 1）互联网）互联网 互联网互联网/电信网是物联网的核心网络、平台和技术电信网是物联网的核
3、心网络、平台和技术支持。互联网是一个很庞大的系统，它包括物理层、数支持。互联网是一个很庞大的系统，它包括物理层、数据链路层、传输层、网络层和应用层。其核心技术就是据链路层、传输层、网络层和应用层。其核心技术就是数据交换。网络接入方式分为有线接入和无线接入，数数据交换。网络接入方式分为有线接入和无线接入，数据交换分为电路交换、报文交换和分组交换。据交换分为电路交换、报文交换和分组交换。2022-8-14 互联网的互联网的TCP/IPTCP/IP协议是网络层中的核心内容。为了让协议是网络层中的核心内容。为了让InternetInternet适应物联网大数据量和多终端的要求，业界正在适应物联网大数据
4、量和多终端的要求，业界正在发展一系列新技术。发展一系列新技术。互联网中用互联网中用IPIP地址对节点进行标识，而目前的地址对节点进行标识，而目前的IPv4IPv4受受制于资源空间耗竭，已经无法提供更多的制于资源空间耗竭，已经无法提供更多的IPIP地址，所以地址，所以IPv6IPv6以其近乎无限的地址空间将在物联网中发挥重大作用。以其近乎无限的地址空间将在物联网中发挥重大作用。IPv6IPv6的使用扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。的使用扫清了可接入网络的终端设备在数量上的限制。2022-8-142 2）无线宽带网）无线宽带网 WiFi/WiMax WiFi/WiMax等无线宽带技术的覆
5、盖范围较广，传输速等无线宽带技术的覆盖范围较广，传输速度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置度较快，为物联网提供高速可靠廉价且不受接入设备位置限制的互联手段。限制的互联手段。3 3）无线低速网）无线低速网 ZigBee ZigBee、蓝牙和红外等低速网络协议能够适应物联网、蓝牙和红外等低速网络协议能够适应物联网中处理能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能中处理能力较低的节点的低速率、低通信半径、低计算能力和低能量来源等特征的无线传感网络系统。力和低能量来源等特征的无线传感网络系统。2022-8-144 4）移动通信网）移动通信网 移动通信就是移动体之间的通信，或移动物体与固定
6、物移动通信就是移动体之间的通信，或移动物体与固定物体之间的通信。移动通信网络最大的特征就是可移动。它体之间的通信。移动通信网络最大的特征就是可移动。它采用蜂窝网结构，实现对通信区域的全覆盖，而且可以实采用蜂窝网结构，实现对通信区域的全覆盖，而且可以实现基站无缝切换。现基站无缝切换。2022-8-14 移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分移动通信网由无线接入网、核心网和骨干网三部分组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核组成。无线接入网主要为移动终端提供接入网络服务，核心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通心网和骨干网主要为各种业务提供交换和传输服务。从通信技术层面
7、看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和信技术层面看，移动通信网的基本技术可分为传输技术和交换技术两大类。交换技术两大类。移动通信经历了移动通信经历了3 3代的发展，它们是模拟语音、数字代的发展，它们是模拟语音、数字语音以及数字语音和数据时代。在移动通信网中，当前比语音以及数字语音和数据时代。在移动通信网中，当前比较热门的接入技术有较热门的接入技术有3G3G和和4G4G。2022-8-145.2 无线个人局域网（无线个人局域网（WPAN）无线个人局域网简称无线个人局域网简称WPANWPAN（Wireless Personal Wireless Personal Area NetworkArea
8、 Network，WPANWPAN），），WPANWPAN是一种采用无线连接的个是一种采用无线连接的个人局域网。美国电子与电器工程师协会（人局域网。美国电子与电器工程师协会（IEEEIEEE）802.15802.15工作组是对无线个人局域网做出定义说明的机构。工作组是对无线个人局域网做出定义说明的机构。2022-8-14 除了基于蓝牙技术的除了基于蓝牙技术的802.15802.15之外，之外，IEEEIEEE还推荐了还推荐了其它两个类型，它们是低频率的其它两个类型，它们是低频率的802.15.4802.15.4（TG4TG4，也被称，也被称为为ZigBeeZigBee）和高频率的）和高频率的8
9、02.15.3802.15.3（TG3TG3，也被称为超波段，也被称为超波段或或UWBUWB），），WPANWPAN是为了实现活动半径小、业务类型丰富、是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网面向特定群体、无线无缝连接而提出的新兴无线通信网络技术。如，络技术。如，TG4TG4（ZigBeeZigBee）针对低电压和低成本家庭控）针对低电压和低成本家庭控制方案提供制方案提供20Kbps20Kbps或或250Kbps250Kbps的数据传输速率，而的数据传输速率，而TG3TG3（UWBUWB）则支持用于多媒体的介于）则支持用于多媒体的介于20Mbps20
10、Mbps和和1Gbps1Gbps之间的之间的数据传输速率。数据传输速率。2022-8-14 支持无线个人域网的技术包括蓝牙、支持无线个人域网的技术包括蓝牙、ZigBeeZigBee、UWBUWB、IrDAIrDA、HomeRFHomeRF等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使等，其中蓝牙技术在无线个人局域网中使用得最广泛。用得最广泛。WPANWPAN能够有效地解决能够有效地解决“最后的几米电缆最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。的问题，进而将无线联网进行到底。2022-8-14 WPAN WPAN是一种与无线广域网是一种与无线广域网(WWAN)(WWAN)、无线城域网、无线城域网(W
11、MAN)(WMAN)、无线局域网、无线局域网(WLAN)(WLAN)并列但覆盖范围相对较小并列但覆盖范围相对较小的无线网络。在网络构成上，的无线网络。在网络构成上，WPANWPAN位于整个网络链的位于整个网络链的末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如，末端，用于实现同一地点终端与终端间的连接，如，连接手机和蓝牙耳机等。连接手机和蓝牙耳机等。WPANWPAN所覆盖的范围一般在所覆盖的范围一般在10m10m半径以内，必须运行于许可的无线频段。半径以内，必须运行于许可的无线频段。WPANWPAN设备具设备具有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。有价格便宜、体积小、易操作和功耗低等优点。20
12、22-8-145.2.15.2.1蓝牙技术蓝牙技术1 1、概述、概述 “蓝牙蓝牙”（BluetoothBluetooth）是一种开放的技术规范，它）是一种开放的技术规范，它是一种多装置之间通信的标准，它可在世界上的任何地是一种多装置之间通信的标准，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语音和数据通信。方实现短距离的无线语音和数据通信。1994 1994年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话年，爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。2022-8-14 随着项目的进展，爱立信公司意识到短距无线通随着项目
13、的进展，爱立信公司意识到短距无线通信（信（Short-Distance Wireless CommunicationShort-Distance Wireless Communication）的应）的应用前景无限广阔。用前景无限广阔。爱立信将这项新的无线通信技术命名为爱立信将这项新的无线通信技术命名为“蓝牙蓝牙”（BluetoothBluetooth）。它的名字取自）。它的名字取自1010世纪丹麦国王世纪丹麦国王Harald Harald BluetoothBluetooth的名字。的名字。2022-8-14 蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最
14、初的目标是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有是取代现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的线电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的目标，向全球公开发布，工作频段为全球统一开放的2.4GHz2.4GHz工业、科学和医学频段。工业、科学和医学频段。Bluetooth Bluetooth提供了一种在提供了一种在2.4G2.4G的的ISMISM（Industrial Industrial Scientific MedicalScientific Medical，ISMISM）频段
15、，用于一个或多个装置）频段，用于一个或多个装置之间在之间在1010米范围内的无线通信方式。米范围内的无线通信方式。2022-8-14 ISMISM频段频段(2.4(2.4 2.4835GHz2.4835GHz)主要是开放给工业、科学和主要是开放给工业、科学和医学三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员医学三个主要机构使用，该频段是依据美国联邦通讯委员会会(Federal Communications Committee(Federal Communications Committee，FCC)FCC)所定义出所定义出来，属于来，属于Free LicenseFree License，并没有
16、所谓使用授权的限制。无，并没有所谓使用授权的限制。无需许可证，只需要遵守一定的发射功率需许可证，只需要遵守一定的发射功率(一般低于一般低于1W)1W)，并，并且不要对其它频段造成干扰即可。且不要对其它频段造成干扰即可。2022-8-14 最初是由美国联邦通信委员会最初是由美国联邦通信委员会(FCC)(FCC)分配的无需许可分配的无需许可证的无线电频段（功率不能超过证的无线电频段（功率不能超过1W1W）。在美国分为为工业）。在美国分为为工业（902928MHz）、科学研究、科学研究（2.422.4835GHz）和医疗和医疗（5.7255.850GHz）三个频段。而在欧洲三个频段。而在欧洲900M
17、Hz900MHz的频段的频段则有部份用于则有部份用于GSMGSM通信，用于通信，用于ISMISM的低频段为的低频段为868MHZ868MHZ和和433MHz433MHz。2.4GHz2.4GHz为各国共同的为各国共同的ISMISM频段。因此，无线局域频段。因此，无线局域网，蓝牙，网，蓝牙，ZigBeeZigBee等无线网络，均可选择在等无线网络，均可选择在2.4GHz2.4GHz频段上。频段上。2022-8-142、蓝牙技术的应用、蓝牙技术的应用 从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，从目前的应用来看，由于蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任其应用已不局限于计
18、算机外设，几乎可以被集成到任何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不何数字设备之中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。高的移动设备和便携设备。蓝牙技术已经应用于日常生活的各个方面，例如，蓝牙技术已经应用于日常生活的各个方面，例如，引入蓝牙技术，就可以去掉移动电话与笔记本电脑之引入蓝牙技术，就可以去掉移动电话与笔记本电脑之间的连接电缆而通过无线使其建立通信。间的连接电缆而通过无线使其建立通信。2022-8-14 3.蓝牙技术的特点蓝牙技术的特点1 1）全球范围适用，蓝牙工作在）全球范围适用，蓝牙工作在2.4GHz2.4GHz的的ISMISM频段，使用频段，使用该频段无需
19、向各国的无线电资源管理部门申请许可证。该频段无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。2 2）同时可传输语音和数据，蓝牙采用电路交换和分组交）同时可传输语音和数据，蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。据与同步语音同时传输的信道。2022-8-143 3）可以建立临时性的对等连接，根据蓝牙设备在网络中）可以建立临时性的对等连接，根据蓝牙设备在网络中的角色，可分的角色，可分为主设备（为主设备（MasterMaster）与从设备（）与从设备（SlaveSlave）。主设备是组网连接主动发起
20、连接请求的蓝牙设备，几个蓝主设备是组网连接主动发起连接请求的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个微微网（牙设备连接成一个微微网（PiconetPiconet）时，其中只有一个）时，其中只有一个主设备，其余的均为从设备。主设备，其余的均为从设备。多个微微网之间还可以互联形成散射网多个微微网之间还可以互联形成散射网(Scatter(Scatter net)net)，从而方便快捷地实现各类设备之间随时随地的通信。，从而方便快捷地实现各类设备之间随时随地的通信。最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点最简单的微微网是一个主设备和一个从设备组成的点对点的通信连接。的通信连接。2022-8-145
21、5）蓝牙模块体积很小、便于集成。）蓝牙模块体积很小、便于集成。由于个人移动设备的体积较小，所以，嵌入其内部由于个人移动设备的体积较小，所以，嵌入其内部的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块的蓝牙模块体积就应该更小，如爱立信公司的蓝牙模块ROK101008ROK101008的外形尺寸仅为的外形尺寸仅为32.8mm32.8mm16.8mm16.8mm2.95mm2.95mm。其。其程序写在一个程序写在一个9 x 9 mm9 x 9 mm的微芯片中。的微芯片中。2022-8-146 6）低功耗，蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模）低功耗，蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式式，激活
22、（，激活（ActiveActive）模式、呼吸（）模式、呼吸（SniffSniff）模式、保持）模式、保持（HoldHold）模式和休眠（）模式和休眠（ParkPark）模式。）模式。ActiveActive模式是正常模式是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。模式。依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有依据发射输出电平功率不同，蓝牙传输有3 3 种距离等种距离等级，它们是级，它们是Class1Class1为为100m100m左右；左右；Class2Class2约为约为10m10m；Class3Class3约为约为23m23m。
23、一般情况下，其正常的工作范围是。一般情况下，其正常的工作范围是10m10m半径之半径之内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。内。在此范围内，可进行多台设备间的互联。2022-8-147 7）开放的接口标准）开放的接口标准，SIGSIG为了推广蓝牙技术的使用，将为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和蓝牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终能通过个人都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终能通过SIGSIG的的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。8 8）成本低）成本低，随着市场需求的扩
24、大，各个供应商纷纷推出，随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自己的蓝牙芯片和模块，导致蓝牙产品价格飞速下降。自己的蓝牙芯片和模块，导致蓝牙产品价格飞速下降。2022-8-14 4.蓝牙匹配规则蓝牙匹配规则 两个蓝牙设备在进行通信前，必须将其匹配在一两个蓝牙设备在进行通信前，必须将其匹配在一起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过起，以保证其中一个设备发出的数据信息只会被经过允许的另一个设备所接受。允许的另一个设备所接受。1 1）蓝牙主设备）蓝牙主设备，主设备一般具有输入端。在进行蓝牙，主设备一般具有输入端。在进行蓝牙匹配操作时，用户通过输入端可输入随机的匹配密码匹配操作时，用户通过输入
25、端可输入随机的匹配密码来将两个设备匹配。来将两个设备匹配。2022-8-14 蓝牙手机、安装有蓝牙模块的蓝牙手机、安装有蓝牙模块的PCPC等都是主设备。等都是主设备。例如，蓝牙手机和蓝牙例如，蓝牙手机和蓝牙PCPC进行匹配时，用户可在蓝进行匹配时，用户可在蓝牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙牙手机上任意输入一组数字，然后在蓝牙PCPC上输入相同上输入相同的一组数字，来完成这两个设备之间的匹配。的一组数字，来完成这两个设备之间的匹配。2022-8-142 2）蓝牙从设备）蓝牙从设备，从设备一般不具备输入端。，从设备一般不具备输入端。因此，从设备在出厂时，在其蓝牙芯片中，固化有因此，从设备在出厂
26、时，在其蓝牙芯片中，固化有一个一个4 4位或位或6 6位数字的匹配密码。蓝牙耳机、优士通位数字的匹配密码。蓝牙耳机、优士通UDUD数数码笔等都是从设备。码笔等都是从设备。例如，蓝牙例如，蓝牙PCPC与与UDUD数码笔匹配时，用户将数码笔匹配时，用户将UDUD笔上的笔上的蓝牙匹配密码正确的输入到蓝牙蓝牙匹配密码正确的输入到蓝牙PCPC上，完成上，完成UDUD笔与蓝牙笔与蓝牙PCPC之间的匹配。之间的匹配。2022-8-143 3）主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可）主设备与主设备之间、主设备与从设备之间，是可以互相匹配在一起的；而从设备与从设备是无法匹配以互相匹配在一起的；而从设备与从
27、设备是无法匹配的。的。例如，蓝牙例如，蓝牙PCPC与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙与蓝牙手机可以匹配在一起；蓝牙PCPC也可以与也可以与UDUD笔匹配在一起；而笔匹配在一起；而UDUD笔与笔与UDUD笔之间是不笔之间是不能匹配的。能匹配的。一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如，一个主设备，可匹配一个或多个其他设备。例如，一部蓝牙手机，一般只能匹配一部蓝牙手机，一般只能匹配7 7个蓝牙设备。而一台蓝个蓝牙设备。而一台蓝牙牙PCPC，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，可匹配十多个或数十个蓝牙设备。在同一时间，蓝牙设备之间仅支持点对点通信。蓝牙设备之间仅支持点对点通信。2022-8-14
28、5.2.2 ZigBee5.2.2 ZigBee技术技术 1 1、概述、概述 在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因如此，国外对无线通信的需求越来越强烈。正因如此，国外对ZigBeeZigBee技术的研究起步较早，研究也较成熟。技术的研究起步较
29、早，研究也较成熟。2022-8-14 ZigBeeZigBee技术技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。由于蜜蜂低速率、低成本的双向无线通信技术。由于蜜蜂（beebee）是靠飞翔和）是靠飞翔和“嗡嗡嗡嗡”（zigzig）地抖动翅膀的）地抖动翅膀的“舞蹈舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信也就是蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络网络”，因此，因此，ZigBeeZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象
30、地描述这种无线信息传输技术。的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。2022-8-14 为了推进该技术的快速发展，由英国为了推进该技术的快速发展，由英国InvensysInvensys公司、公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司等半导体公司等4 4家公司于家公司于20022002年年8 8月成立了月成立了ZigBeeZigBee联盟，联盟，如今该联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司如今该联盟已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入，它是一个高速成长的非盈利业界组织。和开发商的加入，它是一个高速成长的
31、非盈利业界组织。2022-8-14 该联盟制定了基于该联盟制定了基于IEEE802.15.4IEEE802.15.4，具有高可靠、高，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用协议并于性价比、低功耗的网络应用协议并于20042004正式问世。正式问世。ZigBee ZigBee的网络协议是的网络协议是IEEE802.15.4IEEE802.15.4协议，它主要适协议，它主要适合于应用在自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种合于应用在自动控制和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地理定位功能。设备中，同时支持地理定位功能。2022-8-14ZigBeeZigBee采用采用DSSS(Direc
32、t Sequence Spread SpectrumDSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSSDSSS即直接序列展频技术即直接序列展频技术)技术调制发射，用于多个无线技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速率低功耗的无传感器组成网状网络，是一种短距离、低速率低功耗的无线网络传输技术，采用线网络传输技术，采用DSSSDSSS技术调制发射，用于多个无线技术调制发射，用于多个无线传感器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将采用传感器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将采用802.15.4(ZigBee)802.15.4(ZigBee)
33、协议。协议。ZigBeeZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMACDMA和和GSMGSM网络。网络。ZigBeeZigBee数传模块类似于移动网络基站。数传模块类似于移动网络基站。2022-8-14 ZigBee ZigBee是一个由可多到是一个由可多到6500065000个无线数传模块组成的个无线数传模块组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模一个无线网络平台，在整个网络范围内，每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的准的75m75m无限扩展。无限扩展。202
34、2-8-14 ZigBee ZigBee与移动通信的与移动通信的CDMACDMA网或网或GSMGSM网不同的是，网不同的是，ZigBeeZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBeeZigBee网络网络“基站基站”却却不到不到10001000元人民币。元人民币。
35、2022-8-142 2、ZigBeeZigBee应用领域应用领域 ZigBee ZigBee技术的目标就是针对技术的目标就是针对 工业工业家庭自动化家庭自动化遥测遥控遥测遥控汽车自动化汽车自动化农业自动化农业自动化医疗护理医疗护理 等方面的应用。等方面的应用。2022-8-14 ZigBee ZigBee技术应用如此广泛，因此，在通常情况下，如果技术应用如此广泛，因此，在通常情况下，如果符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用ZigBeeZigBee技术做无技术做无线传输。线传输。1 1）需要数据采集或监控的网点多；）需要数据采集或监控的网点多；2 2）要
36、求传输的数据量不大，而要求设备成本低；）要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；3 3）要求数据传输可性高，安全性高；）要求数据传输可性高，安全性高；4 4）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；2022-8-145 5）电池供电；）电池供电；6 6）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；）地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；7 7）现有移动网络的覆盖盲区；）现有移动网络的覆盖盲区；8 8）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系）使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。统。9 9）使用）使用GPSGPS效果差，
37、或成本太高的局部区域移动目标的效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。定位应用。2022-8-143 3、ZigBeeZigBee技术特点技术特点ZigBeeZigBee作为一种无线通信技术，具有如下特点。作为一种无线通信技术，具有如下特点。1 1）低成本、低功耗，）低成本、低功耗，ZigBeeZigBee技术可以应用于技术可以应用于8 8位位MCUMCU。2 2）高可靠性）高可靠性3 3）时延）时延4 4）网络容量大，）网络容量大，ZigBeeZigBee网络可支持达网络可支持达6500065000个节点。个节点。5 5）高安全性，）高安全性，ZigBeeZigBee提供了数据完整性
38、检查和鉴权功能，提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的加密算法采用通用的AES-128AES-128。6 6）高保密性，）高保密性，6464位出厂编号和支持位出厂编号和支持AES-128AES-128加密。加密。2022-8-144 4、ZigBeeZigBee协议栈协议栈 在设计网络的软件构架时，一般采用分层的思想，在设计网络的软件构架时，一般采用分层的思想，不同的层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间不同的层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间流动。流动。ZigBeeZigBee规范是由规范是由ZigBee AllianceZigBee Alliance所主导的标准，所主导
39、的标准，ZigBeeZigBee协议栈结构是基于标准协议栈结构是基于标准OSIOSI（Open System Open System InterconnectionInterconnection，OSIOSI）七层模型的，在模型的基础）七层模型的，在模型的基础上，结合无线网络的特点，采用分层的思想实现。上，结合无线网络的特点，采用分层的思想实现。2022-8-14 ZigBee ZigBee协议定义了协议定义了网络层（网络层（NWKNWK）、应用程序支应用程序支持子层持子层(APS)(APS)以及以及应用层的数据传输规范应用层的数据传输规范、安全层安全层（Security LayerSecur
40、ity Layer）、以及）、以及各种应用产品的资料各种应用产品的资料（ProfileProfile）。而由国际电子电机工程协会（）。而由国际电子电机工程协会（IEEEIEEE）所）所制订的制订的802.15.4802.15.4标准，则是定义了物理层（标准，则是定义了物理层（PHYPHY）及介）及介质访问控制层（质访问控制层（MACMAC）。）。ZigBeeZigBee无线网络各层示意图如无线网络各层示意图如图图5.25.2所示。所示。2022-8-142022-8-14 在在ZigBeeZigBee协议栈中，协议栈中，PHYPHY（Physical layerPhysical layer物理
41、物理层）、层）、MACMAC层（层（Media Access Control Media Access Control 媒体介入控制媒体介入控制层）位于最低层，且与硬件相关；层）位于最低层，且与硬件相关；NWKNWK、APSAPS、APLAPL层以层以及安全层建立在及安全层建立在PHYPHY和和MACMAC层之上，并且完全与硬件无层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来了极大的方便。带来了极大的方便。2022-8-14ZigBeeZigBee物理层物理层PHYPHY定义了物理无线信道和定义了物理无线信道和MACMA
42、C子层之间子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据。是从无线物理信道上收发数据。物理层管理服务物理层管理服务是维护一个由物理层相关数据组成的是维护一个由物理层相关数据组成的数据库。数据库。2022-8-14物理层的主要功能如下。物理层的主要功能如下。1 1）ZigBeeZigBee的激活；的激活；2 2）当前信道的能量检测；）当前信道的能量检测；3 3）接收链路服务质量信息；）接收链路服务质量信息；4 4）ZigBeeZigBee信道接入方式；信道接入方式；5 5）信道频率选择；）信道
43、频率选择；6 6）数据传输和接收。）数据传输和接收。2022-8-14MACMAC层的主要功能如下。层的主要功能如下。1 1）网络协调器产生信标；）网络协调器产生信标；2 2）与信标同步；）与信标同步；3 3）支持）支持PANPAN链路的建立和断开；链路的建立和断开；4 4）为设备的安全性提供支持；）为设备的安全性提供支持；5 5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（接入（CSMA-CACSMA-CA）机制；）机制；6 6）处理和维护保护时隙（）处理和维护保护时隙（GTSGTS）机制；）机制；7 7）在两个对等的）在两个对等的MACMAC实体之间提供一个
44、可靠实体之间提供一个可靠的通信链路。的通信链路。2022-8-14网络层的主要功能如下网络层的主要功能如下:1 1）网络发现；）网络发现；2 2）网络形成；）网络形成；3 3）允许设备连接；）允许设备连接；4 4）路由器初始化；）路由器初始化；5 5）设备网络连接；）设备网络连接；6 6）直接将设备同网络连接；）直接将设备同网络连接；7 7）断开网络连接；）断开网络连接；8 8）重新复位设备；）重新复位设备；9 9）接收机同步；）接收机同步；1010）信息库维护。）信息库维护。2022-8-14 ZigBee ZigBee应用层框架包括应用支持层（应用层框架包括应用支持层（ASPASP）、）、
45、ZigBeeZigBee设备对象（设备对象（ADOADO）和制造商所定义的应用对象。）和制造商所定义的应用对象。应用支持层的功能包括维持绑定表、在绑定的设备应用支持层的功能包括维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。之间传送消息。所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求在逻辑上所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求在逻辑上将他们匹配地连接起来。将他们匹配地连接起来。2022-8-14 ZigBeeZigBee设备对象层设备对象层的功能包括定义设备在网络中的功能包括定义设备在网络中的角色（如的角色（如ZigBeeZigBee协调器和终端设备），发起和响应协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备
46、之间建立安全机制。绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBeeZigBee设设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。供何种应用服务。ZigBee ZigBee应用层应用层除了提供一些必要函数以及为网除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。者可在这层定义自己的应用对象。2022-8-14 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4定义的物理层定义的物理层有两个物理层标有两个物理层标准，分别是准，分别是
47、2.4GHz2.4GHz物理层物理层和和868/915 MHz868/915 MHz物理层。物理层。两者均基于直接序列扩频（两者均基于直接序列扩频（DSSSDSSS）技术。）技术。868MHz 868MHz只有一个信道，传输速率为只有一个信道，传输速率为20kb/s20kb/s；902MHz 902MHz928MHZ928MHZ频段有频段有1010个信道，信道间隔为个信道，信道间隔为2MHz2MHz，传输速率为，传输速率为40kb/s40kb/s。以上这两个频段都采用。以上这两个频段都采用BPSKBPSK调制。调制。2022-8-14 2.4GHz 2.4GHz2.4835 GHz2.4835
48、 GHz频段有频段有1616个信道，信道间个信道，信道间隔为隔为5MHz5MHz，能够提供，能够提供250kb/s250kb/s的传输速率，采用的传输速率，采用O-O-QPSKQPSK调制。调制。为了提高传输数据的可靠性，为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（定义的媒体接入控制（MACMAC）层采用了）层采用了CSMA-CACSMA-CA和时和时隙隙CSMA-CACSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。信道接入方式和完全握手协议。2022-8-145 5、ZStackZStack协议栈工程简要说明协议栈工程简要说明 ZigBee Z
49、igBee整个整个Z-StackZ-Stack采用分层的软件结构采用分层的软件结构 硬件抽象层（硬件抽象层（HALHAL）提供各种硬件模块的驱动，包括提供各种硬件模块的驱动，包括定时器定时器TimerTimer，通用，通用I/OI/O口口GPIOGPIO，通用异步收发传输器，通用异步收发传输器UARTUART，模数转换模数转换ADCADC的应用程序接口的应用程序接口APIAPI，提供各种服务的扩展集。，提供各种服务的扩展集。2022-8-14 操作系统抽象层操作系统抽象层OSALOSAL实现了一个易用的操作系统平实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处台，通过
50、时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用理机制。用户可以调用OSALOSAL提供的相关提供的相关APIAPI进行多任务进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。2022-8-14 ZStack ZStack协议栈就是将各个层定义的协议都集合协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层层API,API,供用户调用整个协议栈的构架，如图供用户调用整个协议栈的构架，如图5.35.3所示。所示。2022-8-141 1）APPAPP是应
