zigbee网络由哪些设备组成 物联网技术导论

zigbee网络由哪些设备组成 物联网技术导论,第1张

ZigBee网络一般由协调器、路由器、终端三部分组成。
ZigBee是一个自组的、无线的、局域网。它同时是一个物联网,整个ZigBee网络的中心是协调器,它负责将数据传输收集起来;终端是传感器,用于感知物联网的各种数据(例如温度数据、湿度数据、水质数据等等);如果终端和协调器之间距离或者需要多点联系,就需要路由器进入串联。
需要特别提出的,终端和协调器在硬件上是一致的,协调器相当于被选出来的一个“将”,进行“号召”,“自行”组网。
总之,ZigBee是物联网组网中的一部分,重点解决终端感知传递数据到协调器这里,最终由协调器通过无线传输数据到云端。

1、LoRa技术

LoRa简介:

物联网应用中的无线技术有多种,可组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有24GHz的WiFi,蓝牙、Zigbee等,组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线技术,优缺点非常明显,可如下图总结。在低功耗广域网(Low Power Wide Area Network, LPWAN)产生之前,似乎远距离和低功耗两者之间只能二选一。当采用LPWAN技术之后,设计人员可做到两者都兼顾,最大程度地实现更长距离通信与更低功耗,同时还可节省额外的中继器成本。

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种,是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。这一方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式,为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统,进而扩展传感网络。目前,LoRa 主要在全球免费频段运行,包括433、868、915 MHz等。

LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

2、ZigBee技术

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是一种无线连接,可工作在24GHz(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。

作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到15—25美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大: 一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254

个从设备和一个主设备, 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。


微控制器和处理器

微控制器 - 微控制器英文写法是 Microcontroller Unit,简写为MCU。微控制器是将计算机运行所需要的一些资源(如ROM、RAM、I/O、定时器、ADC、DAC等)集成到了一个芯片上,可称之为单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),俗称为单片机。因软件存放在微控制器的存储器中,与硬件紧密配合使用,又称之为嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit,EMCU)。

处理器 - 处理器又称为中央处理器(CPU,Central Processing Unit),处理器一般需要依赖外部的硬盘或存储介质进行运行,系统资源丰富、复杂。是计算机、电脑、平板和手机等的核心

根据处理性能的不同,运行的 *** 作系统也有所不同。微控制器多运行实时 *** 作系统(RTOS),对任务时间性要求比较高。处理器多运行Windows、Linux、Android、iOS等 *** 作系统,对任务处理能力要求比较高。

物联网 *** 作系统的特点

一般地,对实时性控制要求比较高的应用MCU用不到RTOS,如电机控制等。而随着物连接到网络的发展,对通信协议有了新的需求,RTOS就可以比较好地对通信进行管理。物联网 *** 作系统没有严格的定义,可以将物联网 *** 作系统特性,简单地概况如下:

连接 - 互联互通、互 *** 作性

安全 - 设备安全、通信安全、数据安全

能效 - 设备能耗管理

通信 - 支持通信协议,如低功耗蓝牙、以太网、Thread、 Wi-Fi、Zigbee、6LoWPAN、LPWAN(LoRa、NB-IoT…)等等

标准 - 开放标准,开放的标准有利于设备的互联互通

微控制器 *** 作系统

ARM mbed OS - ARM公司专为物联网 (IoT) 中的“物体”设计的开源嵌入式 *** 作系统,主要支持ARM Cortex-M微控制器

FreeRTOS - 非常流行的嵌入式 *** 作系统,支持多种微控制器

Contiki OS - Contiki是一个开源的物联网 *** 作系统。 Contiki将小型低成本、低功耗微控制器连接到互联网。Contiki是构建复杂无线系统的强大工具箱。

LiteOS - 类UNIX *** 作系统,多用于无线传感网络

RIOT - 物联网友好的 *** 作系统。RIOT实现了所有物联网相关的开放标准,支持连接、安全、耐用和隐私。

TinyOS - 适用于低功耗无线设备,用于无线传感器网络

Huawei LiteOS - 华为公司的 *** 作系统。Huawei LiteOS是轻量级的开源物联网 *** 作系统、智能硬件使能平台,可广泛应用于智能家居、穿戴式、车联网、制造业等领域,使物联网终端开发更简单、互联更加容易、业务更加智能、体验更加顺畅、数据更加安全。

μTenux - 基于ARM Cortex M0-M4的开源物联网嵌入式 *** 作系统。内核源于T-kernel。

RT-Thread - 中国的开源嵌入式实时 *** 作系统

ChibiOS/RT - 提供了一个嵌入式应用的完整开发环境(RTOS、HAL、外设驱动、支持文件和工具)

Micrium uCOS - 免费商业化应用需授权,2016年为Slicon Labs收购

Unison - Unison RTOS是面向IoT和M2M通信嵌入式应用的实时 *** 作系统

Zephyr - Zephyr项目是一个可扩展的实时 *** 作系统(RTOS),支持多种硬件架构,针对资源有限的设备进行了优化,并以安全性为基础构建。由Linux基金会托管。

eCos - eCos是面向嵌入式应用的免费开源实时 *** 作系统。高度可配置性使得eCos能够根据精确的应用需求进行定制,提供最佳的运行时性能和优化的硬件资源占用。

TI-RTOS Kernel - TI公司的RTOS

NXP MQX - NXP(原Freescale公司)的RTOS

处理器 *** 作系统

Android Things, Google物联网 *** 作系统

Windows 10 IoT,微软物联网 *** 作系统

SylixOS,是一款嵌入式硬实时 *** 作系统

还有更多的 *** 作系统,在此不一一列出。

不少物联网装置都同时加入多种规范,例如同时支援亚马逊Alexa、GoogleHome、苹果HomeKit连接规范,但若是与其中一种连接规范绑定,就无法被其他连接规范装置使用,对于一般连网家庭可能同时使用不同品牌装置情况,实际上还是会面临部分装置无法串接互连的尴尬情况。

苹果、亚马逊、Google在内业者稍早宣布与ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)共同宣布,将提出名为「ProjectConnectedHomeoverIP」的技术规格,借此让不同物联网连接规范能彼此互通。

由于目前多数物联网装置均以不同规范运作,同时多半无法彼此连接互通,在部分情况甚至必须透过其他方式桥接才能达成彼此互连效果。

为了改善此类问题,不少物联网装置必须同时加入多种规范,例如昕诺飞(Signify)推出的PhilipsHue系列灯具,本身就同时支援亚马逊Alexa、GoogleHome、苹果HomeKit连接规范,但若是与其中一种连接规范绑定,就无法被其他连接规范装置使用,对于一般连网家庭可能同时使用不同品牌装置情况,实际上还是会面临部分装置无法串接互连的尴尬情况。

因此,除了LINEThings透过Beacon及蓝牙方式,让连网装置能以JavaScript标准网页技术彼此连接,此次由ZigBee联盟主导,并且由旗下会员如IKEA、Legrand、恩智浦、Reso、三星旗下SmartThings、施耐德电机、昕诺飞、SiliconLabs、Somfy,以及中国南京物联加入的「ProjectConnectedHomeoverIP」技术规格,则是以网路IP技术为基础,让所有连网装置能彼此安全互连。

而在苹果、亚马逊与Google大型物联网应用业者也加入推动「ProjectConnectedHomeoverIP」技术规格,预期将可让多数物联网装置能够彼此串接,而预期未来也可能吸引诸如小米在内同样推行大量物联网装置的业者加入。

「ProjectConnectedHomeoverIP」技术规格初期将会聚焦在诸如烟雾侦测设备,以及针对居家安全监控设备,预计在2020年下半年以开源形式对外公开使用,并且呼吁更多物联网装置业者加入支持。


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