Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻調(diào)研

Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻研究北京丫蛋天地物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)公錄Zigbee技術(shù)應(yīng)用文獻研究1第1章ZIGBEE概述41.1紫蜂4的定義和特性1.1.1紫蜂游戲攻略41.1.2紫蜂技術(shù)特征51.2 ZIGBEE關(guān)鍵組件51.2.1網(wǎng)絡(luò)射頻芯片51.2.2微控制器91.2.3 ZIGBEE協(xié)議棧(ZIGBEE軟件)111.3紫蜂與其他短程通信技術(shù)的比較121.3.1藍牙121.3.2 WIFI171.3.3無線USB201.3.4超寬帶221.3.5 WIMAX231.4 ZIGBEE國際標準271.4.1 ZIGBEE協(xié)議由27個組成1 . 4 . 2 IEEE 802 . 15 . 4技術(shù)標準28的發(fā)展1.4.3紫蜂標準32的開發(fā)第二章ZIGBEE發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢332.1 ZIGBEE聯(lián)盟332.2全球ZIGBEE發(fā)展趨勢332.2.1全球ZIGBEE市場概述342.2.2全球ZIGBEE產(chǎn)品供應(yīng)和需求342.2.3全球ZIGBEE應(yīng)用市場潛力352.3中國ZIGBEE發(fā)展趨勢352.3.1華立儀器362.3.2華為362.3.3上海周順網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司372.3.4藍色部分372.3.5北京交行自動化技術(shù)有限公司38第三章ZIGBEE應(yīng)用403.1 ZIGBEE應(yīng)用領(lǐng)域403.1.1工業(yè)應(yīng)用403.1.2精準農(nóng)業(yè)應(yīng)用433.1.3家庭和建筑自動化領(lǐng)域453.1.4醫(yī)療領(lǐng)域473.1.5消費和家庭自動化市場473.1.6在道路方向和促進安全出行方面483.1.7汽車行業(yè)3.2 ZIGBEE應(yīng)用示例483.2.1基于ZIGBEE技術(shù)的無線訂購系統(tǒng)通信解決方案483.2.2基于ZIGBEE技術(shù)的管道監(jiān)控?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)493.2.3基于ZIGBEE技術(shù)的無線三表遠程抄表系統(tǒng)513.2.4基于ZIGBEE技術(shù)的水文水資源監(jiān)測無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)553.2.5 ZIGBEE智能交通控制系統(tǒng)無線通信方案573.2.6醫(yī)院對患者進行醫(yī)療和健康監(jiān)測，監(jiān)測設(shè)備和設(shè)施593.2.7無線網(wǎng)狀網(wǎng)在世界上的兩個主要應(yīng)用633.2.8在石化工業(yè)和油田中的應(yīng)用66第四章ZIGBEE相關(guān)廠商研究744.1微控制器和射頻收發(fā)器組件制造商754.1.1 CHIPCON754.1.2 HELICOMM774.1.3飛思卡爾784.1.4 JENNIC)804.1.5 ATMEL824.1.6硅LABS844.1.7 EMBER854.1.8集成協(xié)會854.1.9大成電子864.1.10 OKI864.1.11放射性脈沖894.2紫蜂協(xié)議棧91的制造商4.2.1微型芯片914.2.2臺灣投資政策委員會網(wǎng)絡(luò)多媒體研究所924.2.3空運924.2.4 EMBER934.3 ZIGBEE模塊944.3.1 DIGI國際944.3.2華寶通信944.3.3松下電子儀器公司95參考文獻：96篇第1章ZIGBEE概述1.1紫蜂的定義和特征ZigBee技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，應(yīng)用于短距離和低傳輸數(shù)據(jù)速率的各種電子設(shè)備。ZigBee的名字來自蜜蜂生存和發(fā)展所使用的通訊方式。蜜蜂用之字形舞蹈告知新發(fā)現(xiàn)食物來源的位置、距離和方向，這是新一代無線通信技術(shù)的名稱。在過去，紫蜂也被稱為“HomeRF Lite”、“射頻易鏈接”或“螢火蟲”無線電技術(shù)，現(xiàn)在統(tǒng)稱為紫蜂技術(shù)。1.1.1紫蜂簡介Zigbee是一種新型的短距離、低速、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這是無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)方案。它以前被稱為“HomeRF Lite”或“螢火蟲”無線技術(shù)，主要用于短程無線連接。它有自己的無線電標準，可以協(xié)調(diào)成千上萬個微型傳感器之間的通信。這些傳感器只需要低功耗，并且通過無線電波以中繼方式將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳輸?shù)搅硪粋€傳感器，因此它們的通信效率非常高。最后，數(shù)據(jù)可以進入計算機進行分析，或者通過另一種無線技術(shù)(如WiMax)進行收集。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，它是IEEE個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)工作組的標準，被稱為IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)標準。Zigbee不僅僅是802.15.4的名字。IEEE只處理低層MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟將其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API標準化。完整協(xié)議用于4K字節(jié)，可以一次直接連接到一個設(shè)備的基本節(jié)點，或者用于充當集線器或路由器協(xié)調(diào)器的32K字節(jié)。每個協(xié)調(diào)器最多可以連接255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器可以組成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)量沒有限制。Zigbee聯(lián)盟還開發(fā)了一個安全層，以確保該便攜式設(shè)備不會意外泄露其身份，并且使用網(wǎng)絡(luò)的這種長距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。1.1.2紫蜂技術(shù)特征Zigbee技術(shù)的主要特點包括以下幾個部分：*低數(shù)據(jù)傳輸速率：僅10k字節(jié)/秒至250k字節(jié)/秒，側(cè)重于低傳輸應(yīng)用；*低功耗：在低功耗待機模式下，兩塊普通的5號干電池可使用6個月至2年，從而避免了充電或頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee支持者一直引以為豪的一個獨特優(yōu)勢。*低成本：Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，成本大大降低。紫蜂協(xié)議是免版稅的。*短延遲：通常延遲在15毫秒到30毫秒之間；*安全性：紫蜂提供數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能。AES-128用于加密算法，同時其安全屬性可以靈活確定。*網(wǎng)絡(luò)容量大：每個紫蜂網(wǎng)絡(luò)最多可以支持255臺設(shè)備，即每個紫蜂設(shè)備可以連接另外254臺設(shè)備；*卓越的網(wǎng)絡(luò)拓撲能力：ZigBee具有星型、樹形和集群網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的能力。ZigBee設(shè)備實際上具有無線網(wǎng)絡(luò)自愈能力，并且可以簡單地覆蓋很廣的范圍。*有效范圍?。河行Ц采w范圍為10-75米，視實際傳輸功率和各種應(yīng)用模式而定，基本可以覆蓋普通家庭或辦公環(huán)境；*靈活的工作頻帶：使用的頻帶是2.4千兆赫(全球)、868兆赫(歐洲)和915兆赫(美國)，這些都是未經(jīng)許可的頻帶。1.2 ZIGBEE關(guān)鍵組件1.2.1網(wǎng)絡(luò)射頻芯片射頻收發(fā)器是支持zigBee技術(shù)的平臺解決方案的一個組成部分。處理設(shè)備(如微控制器或數(shù)字信號處理器)必須集成IEEE802.15.4MAC和ZigBee軟件以形成一個完整的解決方案。以飛思卡爾ZigBee射頻芯片MC13192為例，介紹其原理和應(yīng)用。MC13192是一款I(lǐng)EEE 802.15.4標準射頻收發(fā)器芯片，配有飛思卡爾提供的數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器。該芯片性能穩(wěn)定，功耗低。它采用低成本的CMOS設(shè)計，幾乎不需要外部元件。更重要的是，芯片和飛思卡爾的其他紫蜂產(chǎn)品可以結(jié)合在一起，建立一個飛思卡爾紫蜂就緒平臺。利用該平臺開發(fā)ZigBee相關(guān)方面可以有效縮短工程師的開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。主要特點：MC13192具有以下特點：(1)它有16個通道；(2)典型發(fā)射功率為0dBm，最大發(fā)射功率達到3.6dBm；(3)采用DSSS擴頻通信技術(shù)，最大速率為250Kbps；(4)當誤包率為1%時，接收靈敏度達到-92分貝(典型值)；(5)七個通用輸入/輸出端口(GPIO)。整個ZigBee節(jié)點由AAA電池供電。MC13192符合IEEE 802.15.4標準，其選擇的工作頻率為2.4052.480GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調(diào)試模式。這種功能豐富的雙向2.4千兆赫收發(fā)器有一個數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可用于紫蜂技術(shù)應(yīng)用。它還具有優(yōu)化的數(shù)字內(nèi)核，有助于降低微控制器的處理能力，縮短執(zhí)行周期。內(nèi)部集成了四個時序比較器，使其能夠與性能更低、價格更低的微控制器配合使用，以降低成本，廣泛的中斷維護服務(wù)使微控制器編程更容易。芯片與單片機之間采用串行外設(shè)接口，為單片機選擇提供了更大的空間。芯片集成的連接質(zhì)量和功率檢測功能可以為組網(wǎng)和維護提供必要的數(shù)據(jù)。此外，該芯片具有以下特點：全頻譜編碼和解碼；經(jīng)濟高效的CMOS設(shè)計幾乎不需要外部元件?；鶐⒖刂破鞯目删幊虝r鐘；標準4線SPI(工作頻率為4兆赫或更高)；擴展范圍性能(使用外部低噪聲放大器功率放大器)；可編程輸出功率，通常為0dB；超低功耗模式；7條GPIO線；該芯片采用2.7V電源，接收狀態(tài)功耗為37mA，發(fā)射狀態(tài)功耗為30mA，功耗非常低。QFN-32包裝，尺寸為5毫米和5毫米，是同類產(chǎn)品中最小的。圖1內(nèi)部結(jié)構(gòu)芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。該芯片主要由模擬收發(fā)部分、數(shù)字調(diào)制解調(diào)部分、片上頻率合成器、電源管理部分和單片機接口部分組成。從天線接收到的射頻信號經(jīng)過兩次下變頻后，被轉(zhuǎn)換成兩個正交信號(輸入和輸出)。片內(nèi)集成CCA(自由信道評估)模塊根據(jù)接收基帶信號的能量執(zhí)行自由信道評估和檢測。前端的CCA和LNA(低噪聲放大器)都由自動增益控制(自動增益控制)控制。數(shù)字接收機經(jīng)過差分碼片檢測(DCD)后，通過相關(guān)器對直接序列擴頻DSSS進行解擴，最后經(jīng)過符號同步檢測和分組處理得到接收數(shù)據(jù)。它通過串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C。待傳輸?shù)?28字節(jié)信號由單片機通過串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C13192的傳輸緩沖區(qū)。頭幀和幀檢測序列由MC13192產(chǎn)生。根據(jù)IEEE802.15.4標準，要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流的每4位由32碼片擴頻序列擴頻。擴頻信號被發(fā)送到相位開關(guān)調(diào)制器，通過直接上變頻以QPSK方式調(diào)制到載波，然后通過天線發(fā)送。該芯片還集成了頻率合成器、電源管理模塊、定時器、中斷確定器和用于接收和發(fā)送的存儲電路。圖2應(yīng)用電路圖2是應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備的典型應(yīng)用電路。待傳輸?shù)男盘枏膯纹瑱C通過SPI端口傳輸?shù)組C13192，通過擴頻QPSK調(diào)制到載波上，然后通過傳輸路徑從天線傳輸出去。來自天線的射頻信號通過接收通道傳輸?shù)絾纹瑱C13192，經(jīng)解調(diào)和解擴后得到原始數(shù)據(jù)，再通過串行接口傳輸?shù)絾纹瑱C。微控制器還控制接收和發(fā)送信道的切換。電路中的射頻信號采用差分輸入輸出方式。該天線使用與輸入和輸出匹配的平衡印刷線天線。當然，根據(jù)實際設(shè)計要求，可以用芯片天線代替印刷線天線。從天線接收到的射頻信號通過由L3和C12組成的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)和單刀雙擲開關(guān)PG2120TK-E2傳輸?shù)阶儔浩鱖1，由Z1分解成兩個差分信號，傳輸?shù)叫酒膬蓚€射頻信號輸入引腳RIN_M和RIN_P。待發(fā)射的兩個射頻信號從芯片的兩個射頻信號輸出端PAO_P和PAO_M輸出，通過變壓器Z2合成一個信號，通過單刀雙擲開關(guān)PG2120TK-E2和由L3和C12組成的窄帶匹配網(wǎng)絡(luò)，然后發(fā)射到天線進行發(fā)射。應(yīng)該注意的是，芯片的PAO和PAO引腳需要連接到芯片的VDDA，并且它們通過電路中的變壓器Z2連接。考慮到晶振對通信質(zhì)量的影響，排版印刷電路板時，晶振應(yīng)盡可能靠近芯片的XTAL1和XTAL2引腳。電容器C5和C6的值應(yīng)該與晶體振蕩器負載電容一致。MC13192芯片規(guī)定的晶振頻率為16MHz，穩(wěn)定性應(yīng)在40ppm之間。芯片的VDDA、VDDLO1、VDDLO2、VDDD、VDDVCO引腳是芯片內(nèi)部電源管理部分的輸出，用于向芯片的其他部分供電。在實際應(yīng)用中，這些輸出對旁路電容的要求相對較高。設(shè)計印刷電路板時，旁路電容也應(yīng)盡可能靠近相應(yīng)的輸出引腳。該芯片通過標準的四線SPI接口與單片機相連，可以在8MHz或更低的頻率下工作，以滿足芯片的使用要求。該芯片可以通過CLK0引腳向單片機輸出時鐘信號。時鐘通過SPI接口編程，默認值為32.768赫茲(16兆赫/488)。將芯片的引腳連接到微控制器的通用輸入輸出端口，可以使微控制器輕松控制芯片的工作模式。當然，也可以通過額外的電路如開關(guān)來擴展操作模式的控制，以滿足實際需要。在本例中，微控制器通過GPIO端口連接到芯片的RXTXEN引腳，以初始化芯片的收發(fā)器操作。芯片還可以將此引腳設(shè)置為高電平，并通過SPI編程來初始化芯片的收發(fā)器操作。微控制器通過GPIO端口連接到芯片的引腳，以便在必要時復(fù)位芯片。1.2.2微控制器MCU選擇：MC13192芯片只是ZigBee技術(shù)平臺解決方案的一個組成部分。在具體實施中，必須根據(jù)實際需要選擇合適的加工設(shè)備。所選的處理設(shè)備必須集成IEEE802.15.