走近ZigBee

2,789 views

Published on

走近ZigBee

0 Comments
3 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
2,789
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
29
Actions
Shares
0
Downloads
0
Comments
0
Likes
3
Embeds 0
No embeds

No notes for slide
  • 走近ZigBee

    1. 1. 走近 ZigBee www.raullen.com 网络安全及对抗技术实验室 柴奇
    2. 2. Outline ZigBee 综述 1 ZigBee 协议栈研究 2 典型应用场景和解决方案 3 总结 4
    3. 3. ZigBee 探源 <ul><li>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。 </li></ul><ul><li>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。 </li></ul>www.1ppt.com
    4. 4. 什么是 ZigBee <ul><li>ZigBee 是一种新兴的 短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度 的无线网络技术。 </li></ul><ul><li>ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4 强有力的无线物理层所规定的全部优点:省电、简单、成本又低的规格 </li></ul><ul><li>ZigBee 联盟增加了逻辑网络、网络安全和应用层。 </li></ul><ul><li>ZigBee 联盟预测 : 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 </li></ul>
    5. 5. ZigBee 网络设备类型 <ul><li>网络协调器 :处理所有的网络消息,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 </li></ul><ul><li>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 : </li></ul><ul><ul><li>附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征 </li></ul></ul><ul><ul><li>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 </li></ul></ul><ul><ul><li>也能用作终端设备 </li></ul></ul><ul><li>精简功能设备 (RFD) : RFD 只能传送信息给 FFD 或从 FFD 接收信息。 </li></ul><ul><ul><li>附带有限的功能来控制成本和复杂性 </li></ul></ul><ul><ul><li>在网络中通常用作终端设备 </li></ul></ul><ul><ul><li>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 部件的成本,而简单的 8 位处理器和小协议栈也有助于降低成本 </li></ul></ul>
    6. 6. 为什么要用 ZigBee <ul><li>1 数据传输速率低 : 10KB/ 秒 ~250KB / 秒,专注于低速传输应用 </li></ul><ul><li>2 功耗低 :在低功耗待机模式下,两节普通 5 号电池可使用 6~24 个月 </li></ul><ul><li>3 成本低 : ZigBee 数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本 </li></ul><ul><li>4 时延短 :典型搜索设备时延为 30ms ,休眠激活时延为 15ms ,活动设备信道接入时延为 15ms 。 </li></ul>
    7. 7. 短程无线网络标准 1
    8. 8. 短程无线网络标准 2
    9. 9. 无线网络标准的比较
    10. 10. 为什么要用 ZigBee <ul><li>5 网络容量大 :网络可容纳 65,000 个设备 </li></ul><ul><li>6 优良的网络拓扑能力 :ZigBee 具有星型网络、簇型网络和网型网络 </li></ul><ul><li>7 数据安全 : ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用 AES-128 加密算法 , 各个应用可灵活确定其安全属性 </li></ul><ul><li>8 工作频段灵活 :使用频段为 2.4GHz 、 868MHz (欧洲)和 915MHz (美国),均为免执照(免费)的频段 </li></ul>
    11. 11. ZigBee 网络拓扑结构 星型 网状型 簇状型 网络协调器 全功能设备 ( FFD,Router): 可以支持任 何一种拓扑结构,可以作为网络协商 者和普通协商者,并且可以和任何一 种设备进行通信 精简功能设备 (RFD) :只支持星型结 构,不能成为任何协商者,可以和网 络协商者进行通信,实现简单。
    12. 12. ZigBee 频带和数据传输率
    13. 13. ZigBee 物理信道
    14. 14. 为什么要用 ZigBee <ul><li>9 通信可靠机制 </li></ul><ul><ul><li>ZigBee 采用了 CSMA - CA 的碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突;还有明晰的信道检测 </li></ul></ul><ul><ul><li>MAC 层采用了完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息 </li></ul></ul>
    15. 15. 低信噪比的环境下 ZigBee 具有强抗干扰性能
    16. 16. 为什么要用 ZigBee <ul><ul><li>10 网络的自组织、自愈能力强 </li></ul></ul><ul><ul><li>ZigBee 的自组织功能:无需人工干预,网络节点能够感知其他节点的存在,并确定连接关系,组成结构化的网络; </li></ul></ul><ul><ul><li>ZigBee 自愈功能:增加或者删除一个节点,节点位置发生变动,节点发生故障等等,网络都能够自我修复,并对网络拓扑结构进行相应地调整,无需人工干预,保证整个系统仍然能正常工作。 </li></ul></ul>
    17. 17. Outline ZigBee 综述 1 ZigBee 协议栈研究 2 典型应用场景和解决方案 3 总结 4
    18. 18. 802.15 标准 <ul><li>802.15.1 本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本,大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组在做,其成果将由 IEEE 批准 </li></ul><ul><li>802.15.2 是对蓝牙和 802.15.1 的一些改变,其目的是减轻与 802.11b 和 802.11g 网络的干扰。这些网络都使用 2.4 GHz 频段 </li></ul><ul><li>802.15.3 也称 WiMedia, 旨在实现高速率, 最初它瞄准的是消费类器件,如电视机和数码照相机等 </li></ul><ul><li>802.15.4 也称 ZigBee ,属于低速率短距离的无线个人域网。它的设计目标是低功耗 ( 长电池寿命 ) 、低成本和低速率。速率可以低至 9.6 Kbit/ ,不支持话音 </li></ul><ul><li>802.15.5 还在制订之中。其最终目标是使网状网能够在媒体接入控制层形成,不再需要 ZigBee ,或 IP 选路 </li></ul><ul><li>802.15.6 现在尚未正式列入 802.15 标准,它将包括基于太赫兹辐射 ( 即 T 射线 ) 的无线网。 T 射线结合光和无线电的特性,理论上可达到几个 Gbit/s 的速率 </li></ul>
    19. 19. ZigBee 无线通信协议的结构和分工
    20. 20. ZigBee 协议结构
    21. 21. ZigBee 协议栈各层主要功能模块
    22. 22. Outline ZigBee 综述 1 ZigBee 协议栈研究 2 典型应用场景和解决方案 3 总结 4
    23. 23. ZigBee 应用条件 <ul><li>低功耗; </li></ul><ul><li>低成本; </li></ul><ul><li>较低的报文吞吐率; </li></ul><ul><li>需要支持大型网络接点的数量级; </li></ul><ul><li>对通信服务质量 QoS 要求不高(甚至无 QoS ); </li></ul><ul><li>需要可选择的安全等级(采用 AES-128 ), </li></ul><ul><li>加密 </li></ul><ul><li>发送鉴别 </li></ul><ul><li>报文的完整性 </li></ul><ul><li>需要多方面的较复杂的网络拓扑结构应用; </li></ul><ul><li>要求高的网络自组织、自恢复能力。 </li></ul>
    24. 24. ZigBee 应用场合 <ul><li>无线传感器网络 WSN ; </li></ul><ul><li>带负载管理功能的自动抄表 (AMR) 系统; </li></ul><ul><li>智能交通、油气生产遥测遥控通信系统; </li></ul><ul><li>监控照明、 HVAC 和写字楼安全 ; </li></ul><ul><li>农田耕作、环境监测、水利水文监测无线通信; </li></ul><ul><li>工业制造、过程控制遥测遥控; </li></ul><ul><li>对病患、设备及设施进行医疗和健康监控; </li></ul><ul><li>家庭监控、 HVAC 、安防报警系统运用; </li></ul><ul><li>有源 RFID 应用,用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理; </li></ul><ul><li>军事应用,包括战场监视和机器人控制; </li></ul><ul><li>汽车应用,配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。 </li></ul>
    25. 25. 行业应用 1 <ul><li>在工业领域 :利用传感器和 ZigBee 网络,使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易,可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新,重点在低功耗,从而最大程度地延长电池的寿命,减少 ZigBee 网络的维护成本。 </li></ul><ul><li>在汽车领域 :主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中,比如轮胎压力监测系统,这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命(大于或等于轮胎本身的寿命),同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。 </li></ul>
    26. 26. 行业应用 2 <ul><li>在精确农业 :传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备,主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和 ZigBee 网络后,农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、 pH 值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由 ZigBee 网络传递到中央控制设备供农民决策和参考,这样农民能够及早而准确地发现问题,从而有助于保持并提高农作物的产量。 </li></ul><ul><li>在家庭和楼宇自动化领域 :家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。未来的家庭将会有 50~100 个支持 ZigBee 的芯片被安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、 HVAC 、厨房器械中,为实现远程控制服务。 </li></ul>
    27. 27. 基于 ZigBee 技术的无线三表远程抄表系统 每幢单元楼设置一个 ZIGBEE 远端节点 采用 MESH 网状网络结构,保证数据传输的可靠性 一个小区设置一个 ZIGBEE 中心节点 ZIGBEE 中心节点数据通过 GPRS/CDMA 或 ADSL 上传到集抄中心
    28. 28. 基于 ZigBee 技术的无线三表远程抄表系统 每楼层的水电煤三表通过 RS485 总线连接数据采集器,再连接到 ZIGBEE 远端节点 每幢单元楼设置一个 ZIGBEE 远端节点,负责数据收发或作路由器 ZIGBEE 远端节点上传到 ZIGBEE 中心节点
    29. 29. 行业应用 3 <ul><li>在医学领域 :将借助于各种传感器和 ZigBee 网络,准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息,从而减少医生查房的工作负担,有助于医生作出快速的反应,特别是对重病和病危患者的监护和治疗。 </li></ul><ul><li>在消费和家用自动化市场 :可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、 PC 外设(键盘和鼠标等)、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其它家用电器等。近年来,由于无线技术的灵活性和易用性,无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要。 </li></ul>
    30. 30. 基于 ZigBee 技术的无线点餐系统通信解决方案 应用:餐饮无线点餐系统、茶楼、咖啡馆、网吧、 KTV 娱乐场所呼叫系统
    31. 31. 行业应用 4 <ul><li>在道路指示、方便安全行路方面 :如果沿着街道、高速公路及其它地方分布式地装有大量路标或其它简单装置,就不再担心会迷路。装置会告诉你,现在所处的位置、正向何处去。虽然从 GPS 也能获得类似服务,但是这种新的分布式系统会提供更精确、更具体的信息。即使在 GPS 覆盖不到的楼内或隧道内,能继续使用此系统 </li></ul><ul><li>得到比 GPS 多得多的信息,如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统,还可以跟踪公共交通情况,可以适时地赶上下一班车。基于这样的新系统还可以开发出许多其它功能,例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。 </li></ul>
    32. 32. ZigBee 智能交通控制系统无线通信方案 ZIGBEE 无线通信的交通信号控制系统—交通路口控制通信
    33. 33. ZigBee 智能交通控制系统无线通信方案 ZIGBEE 无线通信的交通信号控制系统—远程实时控制通信
    34. 34. Outline ZigBee 综述 1 ZigBee 协议栈研究 2 典型应用场景和解决方案 3 总结 4
    35. 35. <ul><li>ZigBee 作为一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,有效弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,其成功的关键在于丰富而便捷的应用,而不是技术本身 </li></ul><ul><li>我们有理由相信在不远的将来,将有越来越多的内置式 ZigBee 功能的设备进入我们的生活,并将极大地改善我们的生活方式和体验 </li></ul>
    36. 36. www.raullen.com Thank You !

    ×