班 级： 通信08—4 姓 名： 尹二飞 学 号： 0806030420 指导教师： 李新春 成 绩：
实验
专业 实验报告
电子与信息工程学院
通信工程系
基于ZigBee无线技术RFID读卡器的设计
一、项目提出
射频识别(Radio FIrequency Identification，简称RFID)是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。近年来，RFID技术应用发展迅速。由于RFID技术可以给人们带来极大的方便，随着价格的下降，技术本身的完善，RFID的应用领域更加的广泛，如公共安全、生产管理、物流管理、交通管理等多个领域。虽然RFID技术已经得到一定程度的发展，但其在大规模的应用中还存在着诸多不足。其中之一就是读卡器与服务器之间采用有线连接，读卡器的位置固定，在急需的情况下不能临时快速的组网、自动的把数据传输到服务器以满足短期快速的应用需求。
Zigbee技术是一种低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近距离无线网络通信技术，Zigbee凭借其架构简单、价格低廉、低消耗功率延长使用寿命等优点，即使传输速率不高，但针对感测与控制之应用，ZigBee有其很大的发展潜力。可见Zigbee技术适合作为RFID 阅读器组网的无线通信手段。据此，本项目研制了一种基于ZigBee无线传输技术的移动式RFID读卡器的设计。
一、ZigBee技术简介
ZigBee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳Z字形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小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，亦包含寓意[2]。
ZigBee技术是一种新兴的短距离的、低速率无线通信网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要用于近距离无线连接，其技术标准由IEEE802.15.4工作小组制订。2002年英国Invensys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半导体公司四大巨头共同加盟“ZigBee联盟”，ZigBee技术正是在他们的合力推动而产生的。ZigBee协议在2003年通过后，于2004年正式问世。ZigBee无线技术以其短距离、低速率、低时延、低功耗、低成本等优点弥补了无线通信技术的空缺，也满足了以传感器和自组织网络为代表的无线传感器网络的要求。无线传感器网络并不要求较高的带
宽，但要求较低的时延与较低的功耗。正如ZigBee联盟主席所说，ZigBee是无线传感网络最好的选择。
ZigBee网络中，支持两种类型的物理设备[3]：全功能设备(Full Function Device，FFD)和精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)。全功能设备(FFD)支持所有拓扑结构，可以作为网络协调器(Coordinator)也可以作为路由节点和终端传感器节点，具备控制器的功能；精简功能设备(RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。
ZigBee网络含有三种类型的节点，即协调器、路由器和设备终端。网络协调器的主要功能为发送网络信标、建立网络含有、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找节点间的路由消息、汇聚信息等。路由器主要实现扩展网络及路由消息的功能，作为网络中潜在的父节点，允许更多的的设备接入网络，路由节点只能在树状网络和网状网络中存在。终端设备是网络的边缘节点，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通信，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。每个节点通常是一个嵌入式微型系统，都具有采集数据、接收指令、处理数据、无线发送和接收数据的功能，各节点的处理能力、存储能力、通信能力都相对有限。
ZigBee网络拓扑结构有星形结构、树状结构和网络状结构三种类型，如图1所示。星状网络所有的设备都与协调器通信，协调器一般使用电力系统供电，其他设备采用电池供电。星状网主要用于家庭自动化、个人计算机外设和个人健康护理等小范围的室内应用。树状网可以看成是复杂的星状网，网络中各设备的功能清晰，可以实现网络的转发功能，扩大网络的通信范围。网状网相对比较复杂，维护的信息较多，网络中的任何两个FFD设备都能直接通信，都可以实现对网络报文的转发功能。
星型网络树型网络网型网络
网络协调器FFD RFD
图1 ZigBee网络拓扑图
ZigBee技术的特点主要包括：
1）低成本目前，ZigBee芯片的成本在25元人民币左右，而且尺寸小。2.4GHz频段免申请使用，免协议专利费。
（2）低功耗其发射功率为0～3.6dBm，一个ZigBee 节点设备在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6 个月以上。
（3）低速率基本速率是250kb/s，当降低到28kb/s 时，传输范围可扩大到134m，并获得更高的可靠性。但对存储信息量不大RFID系统，足以满足其需求。
（4）高容量，ZigBee 可采用星型、树型和Mesh 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。
（5）安全性高、可靠性强。ZigBee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码。在无线通信技术上，采用免冲突多载波信道接入(CSMA-CA)方式，避免了无线电载波之间的冲突。此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。
二、主要芯片选择
1、RC522读卡芯片
MFRC522主要特性包括：高度集成的调制解调电路，采用少量外部器件，即可将输出驱动级接至天线；支持ISO／IEC 14443 TypeA接口和MIFARE通信协议；选用SPI、I2C或串行UART工作模式，有利于减少连线，缩小PCB板面积；特有的发送器掉电机制可关闭内部天线驱动器，即关闭RF场，达到低功耗。RC522具体硬件电路图如图2所示。
图2 RC522读卡芯片
RC522与主控芯片STC11F32XE之间采用SPI模式进行通信，所以除了通用的4条SPI 信号线(时钟线SCK、输入数据线MISI、输出数据线MISO和选通线SDA)，RC522要求额外的2个引脚I2C（脚1）和EA（脚32）分别固定接低电平和高电平。这两个引脚不参与SPI 总线传输，只起设定RC522数字界面采用SPI接口的作用。SPI总线接口有其自身的时序要求，它只能工作于从模式，最高传输速率为l0Mbps，数据与时钟相位关系满足“空闲态时钟为低电平，在时钟上升沿同步接收和发送数据，在下降沿数据转换”的约束关系。由于MF RC522支持的数字接口形式多种多样，芯片在每次复位时都会检测外部引脚连接关系。另外，片选信号保证在写入数据流期间为低电平，而在无数据流写入时则为高电平。
RC522的天线接口包括：VMID（脚16）、TX1（脚11）、TX2（脚13）、RX（脚17）。从TX1和TX2引脚发射的信号是已调制的13.56 MHz载波信号，辅以多个无源器件实现匹配和滤波功能，以直接驱动天线。内部接收电路利用卡的响应信号在副载波的双边带上都具有调制这一功能进行工作。使用MFRC522内部产生的VMID信号作为RX引脚输入信号的偏置。为了稳定VMID输出，需在VMI和GND之间连接一只电容C5。接收电路需在RX和VMID 之间连接一分压电路（R15，R16）。L4、L5、C24、C25构成EMC低通滤波器，C20、C21、C22、C23构成天线匹配电路。关于13.5MHz读卡器天线的具体设计及参数规定见相关资料。
2、ZigBee射频芯片CC2430
ZigBee射频芯片选用的是德州仪器（TI）的CC2430，它是用于2.4GHz ZigBee的片上系统解决方案。CC2430内部整合了IEEE 802. 15. 4 标准的2. 4GHz的RF 无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个八位MCU（8051），既有128KB 的可编程闪存和8KB 的RAM，还包含ADC、定时器、AES-128 协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路(power of reset detection)等。其基本工作电路如图3所示：
图3 CC2430外围电路
CC2430的外围元件数目很少。它使用一个非平衡天线，连接非平衡变压器使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C9和电感L1、L2、L3以及一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R1、R2为偏置电阻。其中R1主要用于为32 MHz 的晶体振荡器提供合适的工作电流。用一只32 MHz 石英谐振器和两只电容(C1、C2)构成32 MHz 晶体振荡器电路。片上电压稳压器为所有1.8 V 电压的引脚和内部电源供电，Cl0、C12是去耦电容，用于电源滤波。
三、 电路图设计
R74k 7
R88k 2
BEEP
3
2
1
Q1
8050_SOT
VC C
GND
P1.5
1P1.6/RXD/INT 2P1.7/TXD 3P4.7/RST 4
P3.0/RXD/INT 5P4.36P3.1/TXD 7P3.2/INT08
P3.3/INT1
9P3.4/T0/INT/C LKOUT010
P3.5/T1/INT/C LKOUT111
P 3.6/W R
12
P 3.7/R D
13
X T A L 2
14
X T A L 1
15
G N D
16
P 4.0
17
P 2.0
18
P 2.1
19
P 2.2
20
P 2.3
21P 2.4
22
P2.5
23
P2.624P2.725NA/P4.4
26
ALE/P4.527P4.1
28NA/P4.6
29P0.730P0.631P0.532P0.433P 0.3
34
P 0.2
35
P 0.1
36
P 0.0
37
V C C
38
P 4.2
39
C L K O U T 2/P 1.0
40
P 1.1
41
P 1.2
42
P 1.343
P 1.4
44
U2STC 11F32X
C920P C1020P
GND
VC C
RXD0
TXD0C11104
GND
R410K
GND +
C8
10UF/16V
VC C
12345678910
11
121314151617181920
J3LC D
VC C GND D B
0D B 1D B 2D B 3D B 4D B 5D B 6D B 7C S 1C S 2
R6
8K2
R /W D /I
E N V 0R5
10K
GND V0
V E E
L C D _R S T
VC C
GND
V E E
VC C
GND
C1+1
VS +2C1-3C2+
4
C2-5VS -6
T2OUT 7R2IN
8
R2OUT
9
T2IN 10T1IN 11R1OUT 12R1IN 13T1OUT 14G N D
15
V C C
16U1
MAX232
VC C
GND
GND GND
T1OUT0R1IN0
GND
+
C1
1Uf
+
C2
1Uf
+
C4
1Uf +
C51Uf
+
C3
1Uf GND
TXD0RXD0
162738495
J2DB 9T1OUT0R1IN0
GND
12345678J4CON8
MF _SDA MF _SCK MF _MOSI R9390R R10390R R11390R R12390R R13390R
MF _MIS O GND MF _RST
+3.3V
L1
GR EEN
R11k
VC C
GND +C647u F/25V
C7104VC C
GND
VC C
GND
+3.3V
+C13
10UF
C12104
+C1410UF
DB 0
DB 1
DB 2
D B 3
D B 4
D B 5
D B 6
D B 7
C S 1
C S 2
L C D _R S T R /W
D /I
EN MF _SDA MF _SCK MF _MOSI
MF _MIS O
MF _RST
L I N E 1
L I N E 2
R O W 1
R O W 2
BEEP
12J5UART
R O W 3
R O W 4
L I N E 3
L I N E 4
1
2345678J6k ey
R O W 1
R O W 2R O W 3R O W 4L I N E 1L I N E 2L I N E 3L I N E 4
TXD0
RXD01
2
J8V33GND
+3.3V
B1
BEEP A /G
1
VI
3
OUT
2V0
4
U31117
Y1
18.432M S1SW
R141K
S2
12J1
CON212
J9power
串口电路
键盘外接口
LCD 外接口
天线外接口
MCU 最小系统
蜂鸣器
电源电路
图5 读卡器主控电路
IIC 1PVDD 2
DVDD 3
DVSS 4
PVSS 5/RS T 6MF IN
7MF OUT 8
S V D D
9
T V S S
10
T X 1
11
T V D D
12
T X 2
13
T V S S
14
A V D D
15
V M I D
16
RX
17
AVSS
18AUX119AUX220OS CIN 21OS COUT 22IRQ
23
SDA 24D 1
25
D 2
26
D 3
27
D 4
28
D 5
29
D 6
30
D 7
31
E A
32U5RC 522
12345678J8CON8
M-MFSDA M-MFSC K M-MFM OSI M-MFM ISO
M-GND M-MFRS T
M+3.3V
M-GND
M+3.3V
M-GND
M-MFRS T
R1410K
M+3.3V
M-GND T X 1
T X 2
M+3.3V M-GND
M+3.3V
V M I D
RX
M-GND
Y227.12M
C16
15P
C1715P
M-GND
M-MFSDA M -M F S C K
M -M F M O S I
M -M F M I S O
M+3.3V
TX1
TX2
L42.2UH
L52.2UH
C2447PF C2547PF
M-GND
C18
15PF
C19
15PF
C20180PF C21180PF C2210PF
C2310PF
天线
C6
104
R165k 1
RX
R15820R
VM ID
C5104M-GND
C28104
M-GND
RC522外围电路
天线匹配电路
天线外接口
图6 读卡芯片外围电路及天线匹配
图7 读卡器主控电路PCB
图8 读卡器PCB天线
图9 ZigBee模块PCB图
四、软件架构
5.1 系统通信协议的设计
RFID与ZigBee网络结合时，ZigBee模块相当于发挥了一个网关的作用，把RFID采集的
数据通过ZigBee协议传输到其它无线或有线的网络之中，其协议基本构架如图10所示。
图10 系统通信协议基本框架
在移动式读卡器中，RFID 与ZigBee 的通信是通过串口来完成的。主芯片首先通过SPI 接口控制RC522与进入天线范围内类型相符合的卡进行通信，读取卡中信息，将信息进行相应处理，变成符合ZigBee 协议的数据包，然后又通过将数据通过CC2430发送给接收器，即ZigBee 网络中的协调器。而接收器与上位机机通过UART 接口相连，最终把数据传给PC 机进行处理。ZigBee 网络中数据帧的格式如图11所示。
图11 ZigBee 网络的数据帧格式
ZigBee 网络应用层将要发送的数据处理后,发送给MAC 层(媒体接入控制层),作为MAC 层数据载荷(MSDU),并在MSDU 前面加上一个MAC 层帧头MHR,在其结尾后面,加上一个MAC 层帧尾MFR.其中,MHR 包括控制帧、序列码以及寻址信息，MFR 为16位FCS 码（帧检测序列错误码），这样，由MHR 、MSDU 和MFR 共同构成了MAC 层数据帧（MPDU ）。MAC 层数据帧作为物理层载荷（PSDU ）发送到物理层。在PSDU 前面加上物理层帧头SHR 和物理层帧尾PHR 。其中，SHR 包括前同步序列码和定界符；PHR 包括PSDU 的长度信息。SHR 、PHR 和PSDU 共同构成了物理层的数据包（PPDU ）。然后经过调制，由2.4GHz 载波发送出去。 5.2 移动式读卡器主程序流程图
帧控制
序列码
寻址信息
卡数据载荷 FCS 码
前同步码 定界符
帧长
MPDU （物理层载荷）
PPDU （物理层数据包）
物理层
MHR MSD MFR
SHR PHR MSDU
MAC
电子标签 RFID 空气接口 RFID 与ZigBee 的通信协议 ZigBee 网络层 IEEE 802.15.4 MAC 层 IEEE 802.15.4 物理层
IEEE 802.15.4 物理层
IEEE 802.15.4 MAC 层 ZigBee 网络层
RFID 与ZigBee 的通信协议
上位机应用程序
其他类型网络
移动式读卡器主程序流程图如图12所示。每次重启都要进行初始化，然后进入程序主循环。系统初始化函数InitAll(void)主要包括CC2430初始化、RC522初始化及主控芯片MSP430F1611的定时器、I/O口及串口初始化等。
函数PcdRequest(unsigned char req_code,unsigned char *pTagType)寻找天线内符合条件的卡。其中，参数req_code(输入变量)为寻卡方式，当值为0x52时该函数寻感应区内所有符合14443A标准的卡，值为0x26时寻未进入休眠状态的卡；参数pTagType(输出变量)为卡片类型代码，当其值为0x0400时，卡片类型为Mifare_One(S50)卡，其值为0x0200时，卡片类型为Mifare_One(S70)。如果寻找到符合要求的卡片返回stauts为OK 的成功状态，有利于程序的顺序执行。
防冲突算法编程的思想：当多张卡重叠进入天线有效范围内，主控芯片将会读取卡的序列号进行判断检测。Mifare_One卡具有唯一的4字节序列号，第5字节为校验码，其值是四位序列号异或的结果。主控芯片循环读取序列号，直到读取校验正确的序列号为止。其关键语句如下：
if (status == MI_OK) //读取序列号成功
{
for (i=0; i<4; i++)
{
*(pSnr+i) = ucComMF522Buf[i]; //读到的序列号存放在*( pSnr+i)
snr_check ^= ucComMF522Buf[i]; //读到的4位序列号异或
}
if (snr_check != ucComMF522Buf[i]) //异或结果与第5位校验码比较
{ status = MI_ERR; } // 如果不相等，数据冲突返回错误状态
}
return status; //相等则未发生冲突，返回正确状态
图12 读卡器主程序流程图
卡信息处理函数Pcdctrlprocess()主要是通过检测按键对应值完成读卡、注册卡、写卡等相应的功能。网络中不存在低延时设备，数据传输选择不使用信标方式传输。但在网络连接时，仍需要信标，才能完成连接。数据传输所用的帧结构如图6所示。当某个读卡器要在非信标网络发送数据时，仅需要使用非时隙的CSMA —CA 向接收器(ZigBee 中的主协调器)发送数据帧，接收器收到数据后，返回一个表明数据已经成功接收的确认帧。
5.3 上位机显示界面
本文的的上位机管理界面是用Qt 图形设计软件[48]进行设计，并结合了SQLite 数据库实现了上位机管理系统的设计。Qt 是一个多功能全面的、可开发高性能、多平台、C++图形用户界面的应用程序框架。它是Trolltech 公司开发的一种高效的跨平台的应用程序解决方案。它支持的平台有微软操作系统、苹果机OS 以及Linux 操作系统，并支持了大部分商业的UNIX 操作系统和Linux 嵌入式操作系统。因此本文设计的上位机管理系统能够在多个操作系统间进行移植，不仅可以用于PC 机，还可以用于微型的嵌入式系统，使得管理方便快捷。Qt 提供给应用程序开发者大部分的功能，来搭建合适的、高效率的图形
开始 系统初始化 进入检测卡状态
卡冲突？
防碰撞机制 选择卡片 卡信息处理 是
否
向接收器发送信息
接收器确认？
否
是
LCD 显示 按键检测
界面程序与后台执行的应用程序，它提供的是一种面向对象的可扩展性能和真正的基于组件的编程模式。
图13 上位机显示界面
五、报告总结
设计的读卡器采用12V锂电池供电，打开电源后，系统初始化，读卡器会自动寻找网络，与上位机建立绑定。将卡片放在天线附近，就会在LCD上显示卡号、余额，根据你的按键命令还会显示充值或消费，通过按键输入相应金额，可以完成充值或消费功能。并将这次充值信息或消费信息传到上位机上进行保存。
实验测试中，室内数据传输距离为50m-70m,穿透墙壁可传输30m左右。如果在CC2420射频前端加一个CC2591集成功率放大器可以增加天线的覆盖范围，减少路由个数。也可以选用频段为860～930MHz的读卡芯片，提高RFID的识别距离，扩大应用范围。
本文对移动式13.56MHzRFID读卡器的硬件设计做了详细的论述，同时对软件构架和主程序流程做了介绍。由于ZigBee技术组网简单、便捷，读卡器随时可以加入网络，能用于临时应急场所，省去了布线的麻烦。此读卡器适用于食堂、超市、图书馆、仓库、考勤等管理系统，也可以用于门禁的监控系统。移动式RFID读卡器的设计，使得ZigBee网络在射频识别系统中得以应用，也提高了RFID系统的性能。同时，对RFID读卡器组网从事人员具有指导意义。
图14 读卡器实物
图15 数据上传调试实验
1Zigbee协议栈相关概念 1.1近距离通信技术比较： 近距离无线通信技术有wifi、蓝牙、红外、zigbee，在无线传感网络中需求的网络通信恰是近距离需求的，故，四者均可用做无线传感网络的通信技术。而，其中（1）红外（infrared）：能够包含的信息过少；频率低波衍射性不好只能视距通信；要求位置固定；点对点传输无法组网。（2）蓝牙（bluetooth）：可移动，手机支持；通信距离10m；芯片价格贵；高功耗（3）wifi：高带宽；覆盖半径100m；高功耗；不能自组网；（4）zigbee:价格便宜；低功耗；自组网规模大。?????WSN中zigbee通信技术是最佳方案，但它连接公网需要有专门的网关转换→进一步学习stm32。 1.2协议栈 协议栈是网络中各层协议的总和，其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。 1.2.1Zigbee协议规范与zigbee协议栈 Zigbee各层协议中物理层（phy）、介质控制层（mac）规范由IEEE802.15.4规定，网络层（NWK）、应用层（apl）规范由zigbee联盟推出。Zigbee联盟推出的整套zigbee规范：2005年第一版ZigBeeSpecificationV1.0，zigbee2006，zigbee2007、zigbeepro zigbee协议栈：很多公司都有自主研发的协议栈，如TI公司的：RemoTI，Z-Stack，SimpliciTI、freakz、msstatePAN 等。 1.2.2z-stack协议栈与zigbee协议栈 z-stack协议栈与zigbee协议栈的关系：z-stack是zigbee协议栈的一种具体实现，或者说是TI公司读懂了zigbee 协议栈，自己用C语言编写了一个软件—---z-stack，是由全球几千名工程师共同开发的。ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0软件可与TI的SmartRF05平台协同工作，该平台包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收发器以及CC2591距离扩展器，通信连接距离可达数公里。 Z-Stack中的很多关键的代码是以库文件的形式给出来，也就是我们只能用它们，而看不到它们的具体的实现。其中核心部分的代码都是编译好的，以库文件的形式给出的，比如安全模块，路由模块，和Mesh自组网模块。与z-stack 相比msstatePAN、freakz协议栈都是全部真正的开源的，它们的所有源代码我们都可以看到。但是由于它们没有大的商业公司的支持，开发升级方面，性能方面和z-stack相比差距很大，并没有实现商业应用，只是作为学术研究而已。 还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI）来简化开发,当网络节点要求不多在30个以内，通信距离500m-1000m时用simpliciti。 1.2.3IEEE802.15.4标准概述 IEEE802.15.4是一个低速率无线个人局域网(LowRateWirelessPersonalAreaNetworks，LR-WPAN)标准。定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)。 LR-WPAN网络具有如下特点： ◆实现250kb/s，40kb/s，20kb/s三种传输速率。 ◆支持星型或者点对点两种网络拓扑结构。 ◆具有16位短地址或者64位扩展地址。 ◆支持冲突避免载波多路侦听技术(carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA/CA)。（mac层） ◆用于可靠传输的全应答协议。(RTS-CTS) ◆低功耗。 ◆能量检测(EnergyDetection，ED)。 ◆链路质量指示(LinkQualityIndication，LQI)。 ◆在2.45GHz频带内定义了16个通道；在915MHz频带内定义了10个通道；在868MHz频带内定义了1个通道。 为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备，IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气及电子工程师学会)定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备(full．functionaldevice，FFD)，另一种是简化功能设备
一、智能家居的背景 从宏观上来讲，事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等，都会有其无法突破的瓶颈和困难。即便智能家居系统在中国已发展20多年，且经过这么多年的发展，产品、技术已日趋成熟、稳定，但每项技术并不一定都完美无瑕。只要产品或技术处于高速发展中，它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。智能家居产品未来会还向节能环保，舒适度方面发展。比如冬暖夏凉型建筑，不用空调，由建筑自身的功能去调节温度。而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展，从这个方面来说，必然会推动智能家居的适应性发展。对与现阶段的智能家居来说，没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片，无论是技术层面还是集成层面，都只是有所关联。如果能够很好的解决，未来数字对讲将会取得更好的应用。而随着中国城镇化趋势的加剧，大型小区会越来越多，人们对安保的重视程度也会日益加强，将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。除此之外，厂家需理性地为各类应用设计解决方案，校正一些过往的虚假概念。只有设计实用性强，性价比高，能适应拓展未来新技术的系统，才能更好地为用户服务。除此之外，各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。目前各厂家的产品均采用自家的协议，无法很好地做到兼容，而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点 二、智能家居系统旨在实现的以下主要功能： (1)可以控制和相应的状态查询，如查询室内和室外的温度，可用于家用电器，如灯一键全开，一键全关，更方便。 (2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的要对
ZigBee 的工作原理_ZigBee 组网技术ZigBee 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。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee 技术特点主要有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、工作频段灵活、低速率、安全的数据传输等。其中低功耗是Zigbee 技术最重要的特点。由于Zigbee 的传输速率相对较低发射功率较小，使得Zig bee 设备很省电，这是Zigbee 技术能够广泛应用的基石。 ZigBee 协议适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求。Zigbee 的基础是IEEE 802.15.4 。但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee 联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API 进行了标准化。Zigbee 是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 ZigBee 组网概述 组建一个完整的zigbee 网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。 ZigBee 网络初始化预备 Zigbee 网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个zigbee 节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求： （1）节点是FFD节点，具备zigbee 协调器的能力; （2）节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个zigbee 网络中有且只有一个网络协调器。 FFD：Full Func TIon Device 全功能节点 RFD：Reduced Func TI onDevice 半功能节点
ZIGBEE无线定位技术 大多数无线传感器网络都要求具备一种确定网络节点位置的方法。因此在设备安装期间，需要弄清楚哪些节点相互之间直接进行数据交换，或者确定哪些节点直接与中央数据采集点进行数据交换。 当通过基于软件的计算方法来确定网络节点位置时，就需要考虑到市场化解决方案(market solution)。这些具体的计算方法是：节点首先读取计算节点位置的参数，然后将相关信息传送到中央数据采集点，对节点位置进行计算，最后，再将节点位置的相关参数传回至该节点。这就是典型的数据密集型计算，并且需要配置一台PC 或高性能的MCU。 这种计算节点位置的方法之所以只适用于小型的网络和有 限的节点数量，是因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因此，高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在电池供电网络中的应用。 针对上述问题，CC2431 采用了一种分布式定位计算方法。这种计算方法根据从距离最近的参考节点(其位置是已知的)接收到的信息，对节点进行本地计算，确定相关节点的位置。因此，网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，因此，C C2431 还允许同一网络中存在大量的待测节点。 本文所提供的结果是根据对ZigBee 网络的测量得出的，然
而，这些测量结果同样适用于基于IEEE 802.15.4协议构建的更简单的网络。 定位引擎技术 定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示(R SSI)，计算所需定位的位置。在不同的环境中，两个射频之间的RSSI 信号会发生明显的变化。例如，当两个射频之间有一位行人时，接收信号将会降低30dBm。为了补偿这种差异，以及出于对定位结果精确性的考虑，定位引擎将根据来自多达16 个射频的RSSI 值，进行相关的定位计算。其依据的理论是：当采用大量的节点后，RSSI 的变化最终将达到平均值。 在RF 网络中，具有已知位置的定位引擎射频称为参考节点，而需要计算定位位置的节点称为待测节点。 要求在参考节点和待测节点之间传输的唯一信息就是参考节点的X 和Y 坐标。定位引擎根据接收到的X 和Y 坐标，并结合根据参考节点的数据测量得出的RSSI 值，计算定位位置。 将定位技术纳入网络协议 一些采用定位引擎的应用可能要求放置若干个参考节点，以作为基础设施设置不可或缺的一部分。ZigBee 技术能够实现对家庭、办公以及工业等应用的无线控制。随着ZigBee 设备在楼宇基础设施中的安装数量不断增多，ZigBee 将会在家庭和办公自动化方面拥有更为广阔的应用前景。
ZigBｅｅ得工作原理_ZigBee组网技术ZigBee就是一种高可靠得无线数传网络,类似于CDMA与GSＭ网络。ZiｇBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准得７5m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。Zｉg ｂee技术特点主要有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、工作频段灵活、低速率、安全得数据传输等。其中低功耗就是Zigbee技术最重要得特点。由于 Zigbee得传输速率相对较低发射功率较小,使得Ｚｉg beｅ设备很省电,这就是 Zigbee技术能够广泛应用得基石。 ＺｉｇＢeｅ协议适应无线传感器得低花费、低能量、高容错性等得要求。Zigｂｅe 得基础就是IＥEE 80２.１5。4、但ＩＥEE仅处理低级MAC层与物理层协议,因此Zigbeｅ联盟扩展了IEEE,对其网络层协议与API进行了标准化。Zigbee就是一种新兴得短距离、低速率得无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己得协议标准,在数千个微小得传感器之间相互协调实现通信。 ZigBeｅ组网概述 组建一个完整得zigbｅe网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤:通过与协调器连接入网与通过已有父节点入网。 ＺiｇＢeｅ网络初始化预备 Zigｂee网络得建立就是由网络协调器发起得,任何一个ziｇbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求: (1)节点就是FFD节点,具备ｚiｇbeｅ协调器得能力; (2)节点还没有与其她网络连接,当节点已经与其她网络连接时,此节点只能作为该网络得子节点,因为一个zigｂee网络中有且只有一个网络协调器。 FFＤ:Full Func TI on Dｅｖｉｃe 全功能节点 RFD:Rｅｄuceｄ FｕｎｃTI onDevicｅ半功能节点
一文读懂zigbee技术的协议原理 一.前言 从今天开始，我们要正式开始进行zigbee相关的通信实验了，我所使用的协议栈是ZStack 是TI ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0版本，大家也可以从TI的官网上直接下载TI公司为cc2530写的协议栈代码，毕竟，我们作为初学者，应该先不要去深究协议栈是怎么用代码编写的，毕竟zigbee已经相当成熟了，我们应该先学会使用zigbee协议栈进行通信，并能应用于实际项目中，比如说智能家具，不知道大家是不是有同感，所以下面我就先给大家介绍一下zigbee通信的原理以及体系架构。 二.ZStack 体系架构 ZStack 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP) 为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 ZStack 根据IEEE 802.15.4 和ZigBee 标准分为物理层，介质接入控制层，网络层，应用层。物理层提供了基础的服务，数据传输和接收，网络层提供了各个节点连入的服务，是zigbee网络通信的关键，应用层是我们关注的重点，提供了应用的框架和ZDO。大家如果想了解体系结构的具体内容，可以自己去看说明文档，下面我给大家介绍一下zigbee 工作原理。 ZStack 采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循机制，而且有一个专门的Timer2 来负责定时。从CC2530 工作开始，Timer2 周而复始地计时，有采集、发送、接收、显示…等任务要执行时就执行。当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级系统的功耗。 整个ZStack 的主要工作流程，如图所示，大致分为以下6 步：(1) 关闭所有中断；(2) 芯
计算机与信息技术学院 课程教案 专业物联网工程 课程Zigbee网络原理与应用 讲授人姚建峰 2015 年 9月10日
(一) 课程名称：Zigbee网络原理与应用 (二) 学时学分：周4学时，3学分 (三) 预修课程：电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计 (四) 使用教材 ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术，清华大学出版社，2014年5月第1版 (五) 教学参考书(3本以上) 1、李文仲编著：《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》，北京航空航天大学出版社，2008年1月第1版； 2、王小强编著：《Zigbee无线传感器网络设计与实现》，化学工业出版社，2012年6月第1版； 3、郭渊博编著：《Zigbee技术与应用》，国防工业出版社，2010年6月第1版。 （六）教学方法：课堂讲授，课堂演示，师生互动，理论与实验结合教学。 (七) 教学手段：多媒体教学。 (八) 考核方式：闭卷考试。 (九) 学生创新精神与实践能力的培养方法：结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。 (十) 其它要求：严格考勤，学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%，期末成绩占70%。
第一章无线传感器网络 教学时数：2学时 教学目的与要求：主要让学生理解无线传感网络的主要概念，了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域，掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。 教学重点：无线传感器网络体系结构。 教学难点：无线传感器网络的关键技术。 第一节无线传感器网络概述(了解) 1.无线传感器网络的概念： 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。 2.无线传感器网络的发展历程： 第一阶段:最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。 第二阶段:二十世纪80年代至90年代之间。主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。 第三阶段:21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。 3.无线传感器网络研究现状： （1）国外无线传感器网络的研究现状 1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统
基于ZigBee技术的无线考勤系统设计 作者姓名：郭帅指导老师：金中朝 摘要：系统基于ZigBee个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分离，具有组网方便，安装拆卸简单，扩容性好，无需布线等特点，可以减少因线路故障带来的损失和不便，提高了系统的稳定性和可靠性。并完成了ZigBee网络的搭建与优化，嵌入式数据库Sqlite的移植以及嵌入式QT的开发等。 关键字：ZigBee, 射频卡考勤，嵌入式网关 1 绪论 随着信息化时代的到来，我们生活的各方面都和信息化息息相关。社会的管理和资金的流通也已经进入信息化的革命。非接触IC卡“一卡通”便是信息化革命的产物之一。本系统设计的目的是为了实现考勤数据采集、数据统计和信息查询过程的无线化和自动化。方便用户对考勤数据的保存和导出。ZigBee是进入21世纪后来出现的一种新型无线通信技术，该协议具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的特点，在智能家居、智能楼宇自动化、工业智能监等控领域具有非常宽广的市场空间。随着多家芯片制造商推出支持ZigBee协议的片上系统解决方案，越来越多的无线控制系统采用ZigBee技术。 系统基于ZigBee个域网协议和嵌入式系统，使刷卡设备和考勤统计系统分离，与目前广泛使用的有线考勤系统相比，具有组网方便，安装拆卸简单，扩容性好，无需布线等特点，可以减少因线路故障带来的损失和不便，提高了系统的稳定性和可靠性。 本文首先介绍了系统的总体拓扑结构，然后详细阐述了刷卡设备和网关设备的硬件设计和软件开发过程，其中包括刷卡驱动电路设计，ZigBee协议栈应用程序设计，QT应用软件设计，Sqlite数据库移植方法等。
聊城大学汽车与交通项目学院大学生科技创新基金管理办法 第一章总则 第一条为提高大学生科学文化素质,培养大学生地创新精神、创业精神、团队合作精神和实践动手能力,鼓励和支持大学生尽早地参与科学研究、技术开发和社会实践等创新活动,特设立汽车与交通项目学院大学生科技创新基金<简称大学生创新基金）. 第二条大学生创新基金地主要来源： 1. 学院划拨专项经费. 2. 政府机关、社会团体、企事业单位、个人等捐赠或资助地经费. 第三条设立大学生创新基金遵循地原则是：“理实结合、鼓励创新、突出重点、注重实效”；资助项目遵循地程序是：“自由申请、公平立项、择优资助、规范管理”. 第二章资助范围 第四条大学生创新基金重点资助学术思想新颖、目地意义明确、立论根据充足、具有创新性和探索性、研究方案合理、技术路线可行、实施条件具备地项目.具体资助范围为： 1. 小发明、小创作、小设计等项目； 2. 开放实验室或实习基地中地综合性、设计性、应用性、创新性实验项目； 3. 有关教师科研课题中地子项目； 4. 专业性研究及创新研究项目； 5. 其他有价值地研究与实践项目. 学生可同时申报聊城大学大学生科技文化创新基金,对未获校级立项地有价值申报项目,学院进行院级评审立项,用院级基金予以资助；获准校级立项地项目,学院进行适当匹配资助. 第三章申报条件 第五条凡我院二年级以上全日制本专科学生均可申请资助.要求申请者必须品学兼优、学有余力,有较强地独立思考能力和创新意识,对科学研究、科技活动或社会实践有浓厚地兴趣和坚强地毅力. 第六条申请者应以项目小组地形式进行立项申请,申请立项地项目小组须有教师参与指导.一个学生只能参加一个项目小组,一位指导教师最多指导2组学生.指导教师一般应由具有硕士以上学位或讲师以上职称地教师担任. 第七条按时完成项目地人员或研究小组成员在项目完成后可以再次申请,但未完成项
ZigBee定位解决方案 什么是Zigbee Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。Zigbee的起源 Zigbee, 在中国被译为"紫蜂",它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术. 用于传感控制应用(sensor and control). 此想法在IEEE 802.15工作组中提出,于是成立了TG4工作组,并制定规范IEEE 802.15.4. 2002年,zigbee Alliance成立. 2004年,zigbee V1.0诞生.它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促,存在一些错误. 2006年,推出zigbee 2006,比较完善. 2007年底,zigbee PRO推出 zigbee的底层技术基于IEEE 802.15.4. 物理层和MAC层直接引用了IEEE 802.15.4 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，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，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，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年正式问世。另外，Zigb
基于ZigBee的无线设备工作在868MHZ, 915MHZ 和2.4Z 频带。其最大数据速率是250Kbps. ZigBee技术主要针对以电池为电源的应用，这些应用对低数据速率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的需求。在一些ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备是处于省电模式（也称休眠模式）的。因此，ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。 Zigbee技术特点 Zigbee是一种崭新的,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。也是目前嵌入式应用的一个大热点。 1、低功耗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。这是Zigbee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。 2、低成本通过大幅简化协议（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。 3、低速率Zigbee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。 4、近距离传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1~3km。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。 5、短时延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3~10s、WiFi需要3s。 6、高容量Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，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。 7、高安全Zigbee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。 8、免执照频段采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。[1] ZigBee应用 ZigBee应用于室内病人监控 例如，一个病人的血压，心率可以通过可穿戴设备测量出来，病人戴的ZigBee设备来周期性的收集血压等健康相关的信息，然后这些数据被无线传送到当地服务器，例如病人家中的一台个人电脑，电脑再对这些数据进行初始分析，最后重要的信息通过互联网被发送到病人的护士或者内科医生那里做进一步的分析。
ZigBee的工作原理_ZigBee组网技术ZigBee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。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。Zigbee技术特点主要有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、工作频段灵活、低速率、安全的数据传输等。其中低功耗是Zigbee技术最重要的特点。由于 Zigbee的传输速率相对较低发射功率较小，使得 Zig bee设备很省电，这是 Zigbee技术能够广泛应用的基石。 ZigBee协议适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求。Zigbee的基础是IEEE 。但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 ZigBee组网概述 组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。
Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求： （1）节点是FFD节点，具备zigbee协调器的能力; （2）节点还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络的子节点，因为一个zigbee网络中有且只有一个网络协调器。 FFD：Full Funcon Device 全功能节点 RFD：Reduced FunconDevice 半功能节点
2019年3月 Zigbee 技术的原理及特点 卢俊文（华师大附属东昌中学，上海200120） 【摘要】Zigbee 是一种继Wifi ， 蓝牙之后逐渐在无线通信市场逐渐崭露头角的自组网通信技术，目前已经在智能家居等联动系统当中广为使用，在相关领域有相当重要的作用。本文对Zigbee 的技术特点进行了简单介绍，并重点对其工作原理进行了介绍与分析， 同时也与其他常见的无线通信技术进行了比较， 并在文末提出了总结。【关键词】Zigbee ； 自组网；无线通信【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2019）03-0035-02 1Zigbee 技术的概述 1.1Zigbee 技术的定义 Zigbee 技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术,Zigbee 过去又称为“HomeRF Lite ”和“FireFly ”技术,目前统一称为Zigbee 技术[1]。 Zigbee 这个名字的灵感来源于蜂群的交流方式:蜜蜂通过Z 字形飞行来通知发现的食物的位置、距离和方向等信息。Zigbee 联盟便以此作为这个新一代无线通信技术的名称。 1.2Zigbee 协议的特点 (1)低功耗:一套Zigbee 系统的占空比(在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所占的比利)非常的低,可以小于0.1%。各个设备工作周期短,功耗也非常低,同时具备有“休眠”的概念,详细内容在2.1中有所描述。 (2)低成本:初期模块成本为6美元,后因为市场的不断演变至今,价格一般已低于2.5美元。同时Zigbee 协议还不需要缴纳专利费,和其他常见无线通信技术相比成本较低。 (3)低速率:Zigbee 系统在各节点每秒的传输速率仅为10~250Kb 左右。这将意味着其并不能以高速传输数据,同时也限定了其部分的组网方法。 2Zigbee 技术的工作原理 2.1Zigbee 协议的结构 Zigbee 的结构分为4层:分别是物理层,MAC 层,网络/安全层和应用/支持层[2]。 其中应用/支持层与网络/安全层由Zigbee 联盟定义,而MAC 层和物理层由IEE802.15.4协议定义,Zigbee 的结构与分工如图1。 以下为各层在Zigbee 结构中的作用: 物理层:作为Zigbee 协议结构的最低层,提供了最基础的服务,为上一层MAC 层提供了服务,如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作用; MAC 层:负责不同设备之间无线数据链路的建立,维护,结束,确认的数据传送和接收; 网络/安全层:保证了数据的传输和完整性,同时可对数据进行加密; 应用/支持层:根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信。 其中,Zigbee 协议架构最具特色的两项是:低功耗以及自组网。 2.2Zigbee 协议低功耗的原理 Zigbee 之所以功耗较低是因为其协议栈(Zstack )的特殊性。ZStack 采用事件轮循机制,而且有一个专门的计时器来负责设定时间。从CC2530工作开始,计时器周而复始地计时,有采集、发送、接收、显示……等任务要执行时就执行。当各层初始化之后,系统将进入低功耗模式。当事件发生时,系统将被唤醒并开始进入中断处理事件(该过程是请求中断;响应中断;关闭中断;保留中断断点;中断源标识;保护站点;中断服务子程序;恢复站点;中断返回),以及再往后进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生,系统将会自动判断优先级,逐次处理事件。 一条指令或数据在进行传输时,可能会经过很多路由器,且只要经过路径器就会产生延时,能量会产生损失,所以消息传递是有路径损耗的,而Zigbee 系统为了减缓这种情况,可以让数据在传输时尽量减少连接路由器的数量。具体来说,Zig ?bee 系统在降低功耗方面是由一定策略的,如网络中一般会连接很多路由器,若某个路由器位置比较核心,不断地有消息经过,需要路由器不停地工作,那么它得能量损失得速度会特别快,为了避免这种情况,Zigbee 系统会直接让这个路由器短暂地停止工作,需要转发相应消息的工作交给其它路由器完成。这种构架非常大的程度上降低了系统的功耗,这也就是Zig ?bee 低功耗的原因。 2.3Zigbee 协议组网的特点 Zigbee 协议在满足条件的情况下,协调器将会自动组网。Zigbee 组网有两个鲜明的特点:①一个Zigbee 网络的理论最大节点数就是2的16次方也就是65536个节点,远远超过蓝牙的8个和Wifi 的32个。②网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。在有模块加入和撤出时,网络具有自动修复功能[3]。 这里有一个简单的例子:当一些人各自拥有一个网络模块终端时,只要他们在网络模块通信的范围内自动找到对方,他们就可以快速形成互连的网络。此外,由于人员的流动,他们之间的网络连接也会发生变化。因此,该模块还可以通过重新搜索通信对象,确定它们之间的联系来重置原始网络,这就是Zigbee 的自组网[3]。 3Zigbee 技术与蓝牙和Wifi 的比较 (1)蓝牙:Zigbee 的系统复杂性远远小于蓝牙,所需的资源量较少,组建一条Zigbee 系统也相对较为容易。蓝牙所需要的系统资源约为250Kb 左右,而Zigbee 只需要28Kb 左右。同时Zigbee 的可支持网络节点数量远远大于蓝牙。就这一点来说,Zigbee 比蓝牙更加适合需要大量终端和节点的架构。比方说一座大楼之间各种设备的简单联动以及多人的野外短距离 图 1 通信设计与应用35
《ZigBee无线传感网络设计与实现》课程标准 课程编码：课程类别：专业理论+专业实训 课程学时：96 学分：6 适用专业：物联网开课学期：第三学期 开课单位：信息工程学院撰写人：电气自动化教研室 一、课程定位和设计思路 （一）课程定位 本课程是一门技术性、实践性很强的专业核心课程。通过本课程的学习，学生可以了解在物联网工程相关岗位所需的Zigbee应用技术基本概念和基础知识，掌握Zigbee技术的体系结构、应用原理，能够根据Zigbee及应用技术组建无线传感网，熟悉常用Zigbee及应用技术软件的使用方法和使用技巧，并能熟练地完成Zigbee及应用技术编程，掌握并具备物联网项目管理方面的知识和能力，了解Zigbee技术领域出现的新技术、新思想。并通过模拟实训、顶岗实习等实践教学使学生能够在实际工作环境中得到锻炼，培养学生认真、负责、细心等基本工作素养，为学生以后从事Zigbee及应用技术相关工作打下坚实的知识和技能基础。 （二）设计思路 本课程的总体设计的理念是以企业真实生产活动和岗位职业能力分析为基础，以职业能力培养为本位，以工作过程为导向，以校企共建为途径，通过工学结合、学做一体的教学方式，培养学生的职业能力、职业道德及可持续发展能力。 在课程内容选取方面，我们组织相关企业技术人员和本专业教师一起对ZigBee 技术及应用所涵盖的岗位群进行工作过程和职业能力进行分析，并考虑学生以后的职业资格证书获取等可持续发展的需要，采用校企合作的方式共同确定教学内容。 在教学内容编排上，我们遵循高职学生的认知规律，针对高职学生“不愿学习陈述性知识，而对过程性知识学习较快”的学习特点，在授课内容的组织和序化上摒弃传统的以学科体系为主线的章节安排方式，改而按照Zigbee 及应用技术的实际工作过程为主线，根据实际的工作过程来序化知识的教授和相关技能的训练。在具体的授课中，以工作过程为导向，采用项