第 2 章 网联网技术1

无线低速网络 物联网背景下连接的物体，既有智能的也有非智能的。 为了适应物联网中那些能力较低的节点低速率、低通信半径、低计算能力，和低能量的要求，需要对物联网中各种各样的物体进行操作的前提就是先将他们连接起来，低速网络协议是实现全面互联互通的前提。

无线低速网络 典型的无线低速网络协议有蓝牙（802.15.1协议）、紫蜂ZigBee（802.15.4协议）、红外及近距离无线通信NFC等无线低速网络技术。 无线传输频段比较

ZigBee ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

ZigBee ZigBee采用DSSS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、低速率低功耗的无线网络传输技术， 采用DSSS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802.15.4(ZigBee)协议。

ZigBee 1. 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。 紫蜂网络节点模块

ZigBee 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。 ZigBee是一个由可多到65000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75m无限扩展。

ZigBee 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，紫蜂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。 而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，而每个紫蜂网络 “基站”却不到1000元人民币。

ZigBee 2. 技术特点 紫蜂是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率, 它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

ZigBee 作为一种无线通信技术, 紫蜂具有如下特点: (1) 低功耗 (2) 成本低 (3) 时延短 (4) 网络容量大 (5) 可靠 (6) 安全

ZigBee 3. 应用领域 ① 家庭和建筑物的自动化控制：照明、空调、窗帘等家具设备的远程控制；     ② 消费性电子设备：电视、DVD、CD机等电器的远程遥控。     ③ PC外设：无线键盘、鼠标、游戏操纵杆等；     ④ 工业控制：使数据的自动采集、分析和处理变得更加容易；     ⑤ 医疗设备控制：医疗传感器、病人的紧急呼叫按钮等；     ⑥ 交互式玩具。

ZigBee 4. 紫蜂（ZigBee）联盟 ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国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组成，如今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。 联盟是一个高速成长的非盈利业界组织。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

ZigBee 5. ZigBee协议栈     ZigBee协议栈结构是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。 ZigBee协议栈

ZigBee IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（DSSS）技术。 868MHz只有一个信道，传输速率为20kb/s； 902MHz～928MHZ频段有10个信道，信道间隔为2MHz，传输速率为40kb/s。以上这两个频段都采用BPSK调制。 2.4GHz～2.4835 GHz频段有16个信道，信道间隔为5MHz，能够提供250kb/s的传输速率，采用O-QPSK调制。

ZigBee 为了提高传输数据的可靠性，IEEE 802.15.4定义的媒体接入控制（MAC）层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。 应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。

ZigBee ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网。 星型网是由一个PAN协调点和一个或多个终端节点组成的。 PAN协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在PAN协调点的覆盖范围内，直接与PAN协调点进行通信。 星型网通常用于节点数量较少的场合。

ZigBee  网状（Mesh）网一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。 Mesh网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为PAN协调点。 Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。

ZigBee ZigBee网络的拓扑结构

ZigBee Mesh网可以通过FFD扩展网络，组成Mesh网与星型网构成的混合网。 混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的PAN协调点。 混合网都适用于覆盖范围较大的网络。

ZigBee 7. ZigBee网络配置 低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。 其中，FFD可以和FFD、RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。 RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。

ZigBee 在一个ZigBee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点。通常，PAN协调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。 FFD和RFD都可以作为终端节点加入ZigBee网络。

ZigBee 此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。 ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。

ZigBee 9. ZigBee组网技术     当ZigBee PAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。 如果找到了合适的信道，ZigBee协调点会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符必须在信道中是唯一的）。一旦选定了PAN标识符，就说明已经建立了网络。

ZigBee 另外，这个ZigBee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。 ZigBee网络中的所有节点都有一个64 bit IEEE扩展地址和一个16 bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是802.15.4中的MAC短地址。

ZigBee ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。 当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。

ZigBee ZigBee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它关联网络。 如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤立通知过程重新加入网络。 网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个路由发现表，它可以参与数据节点来扩展网络。

ZigBee ZigBee网络中传输的数据可分为三类： ① 周期性数据，例如传感器网中传输的数据，这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定； ② 间歇性数据，例如电灯开关传输的数据，这一类数据的传输速率根据应用或者外部激励而确定； ③ 反复性的、反应时间低的数据，例如无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是根据时隙分配而确定的。

ZigBee 为了降低ZigBee节点的平均功耗，ZigBee节点有激活和睡眠两种状态，只有当两个节点都处于激活状态才能完成数据的传输。 在无信标的网络中，终端节点定期睡眠，定期醒来，除终端节点以外的节点要保证始终处于激活状态，终端节点醒来后会主动询问它的协调点是否有数据要发送给它。