Zigbee物联网平台应用与规划Word下载.docx
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可以采集和传输数字量和模拟量。
1.2应用领域
Zigbee技术的目标就是针对旅游业、工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如智能导游机、灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域。
另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。
（定位专利：
成都西谷曙光数字技术公司的专利技术）
通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：
●需要数据采集或监控的网点多；
●要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；
●要求数据传输可性高，安全性高；
●设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；
●电池供电；
●地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；
●现有移动网络的覆盖盲区；
●使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。
●使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
1.3技术特点
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。
蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。
现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。
该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。
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。
每块芯片的价格大约为2美元。
3低速率。
Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率,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（ISM）频段,2.4GHz（全球）、915MHz（美国）和868MHz（欧洲）。
1.4商业模式及主要客户
模式一：
模式二：
应用开发及网络运作（物联网管理中心）
程序开发商
平台搭建商
（物联网服务平台）
根据实际应用进行定制
厂家提供
购买终端设备
提供技术
支持
租用或无偿提供
当地旅游部门、税务部门、工商部门。
各个商户
进入商圈的旅游用户
模式三：
商业模式详解：
模式一面对的客户：
集团型企业、大型商场策划活动、特殊展览会、大型贸易市场等。
模式二面对的客户：
某些智能化需求的城市、某些商圈区域、某些旅游名胜区域、某些商业中心等。
模式三面对的客户：
模式三可以在前期产品未在市场上形成口碑、品牌影响力、公司形象力时采取此方式进行，当公司形象已经深入客户的核心、有一定的品牌影响力后同时模式一、模式二已经正常运作与大量推广后，可以将模式三进行升级升华。
如下图：
升级版模式三：
特定的商圈主根据商圈商户基于这个平台发放广告、促销信息收取相应的费用；
同时提高销售额（厂家与商圈进行分享这部分的利润）
部分租用或无偿提供
国内知名咨询公司或商圈的策划商
提供运行需求
提供商圈策划要求，提高商圈的销售业绩
商圈商户销售
（建立物联网服务平台）
厂家已成本价出售于商圈中的商户
租赁方式
进入商圈的个体用户
给客户带来的好处:
1、用户可以实时的收到各类最新有用的参考信息；
2、此平台可以与目前使用的各种服务平台进行兼容于集成；
3、管理用户可以根据最新收集到的准确的信息进行分析、处理，作出可靠、准确、有利于各个用户的措施与建议。
4、真正实现了物与物、物与人、人与人的沟通、交流。
5、有效的降低人力成本、有的领域的应用可以克服人无法做到的一些工作、有效的提高效率。
6、模块化工作，便于后期的维护与新设备的升级与功能的扩展。
7、平台不用投入或极少投入，降低了采购成本；
8、租用：
化一次性投入为分期投入，厂商平台商做了资金平台，为用户缓解资金压力；
9、由厂商做长期的技术支持和网络服务，用户只需一台可上网的电脑，即可进行维护和管理。
2产品/服务
2.1服务平台
2.1.1概述
物联网服务平台系统是一个分层的体系结构，充分利用先进的移动数据网络和专有关键设备，实现物联对象与应用中心灵活机动的组网，提高行业监测数据传输的实时性和灵活性，确保了集中监测的有效性和可管理性。
在计算机网络技术和通信网络技术不断普及的今天，将广泛分布的物联对象进行互联通信，实现广域网络连接特性，系统设计充分采用层次与模块设计结构。
依据实际的需求和当前的环境，系统平台网络结构组成划分为三个层面：
物联网应用层、物联网网络层、物联网感知层。
这三个层面通过专用无线监测设备和网络做到结构清晰、接口明确。
系统结构设计充分考虑三个层面实现过程中每层实现的相对独立性，提高系统的可扩展性和发展性，使得在某个层面的实现发生变化时不会导致整个系统体系的修改变更，易于今后随着相关要求进行系统扩充或调整。
图1物联网服务平台系统总体结构示意图
2.1.2基本功能
实现基于有线或无线IP、GPRS、GSM传输网络的联网平台，能够通过Zigbee网络的多种接入方式实现远程物联对象数据的监控、传输、存储和管理。
利用各种网络将分散、独立的物联对象采集点进行联网，为不同地域的行业用户提供一个跨地域的统一接入、分布存储、分级管理、多种模式应用、资源共享的物联监控服务。
物联网服务平台应集成各种物联监控和报警资源，为最终用户提供图像、语音、报警等信息远程采集、传输、储存、处理的强兼容性、高度集中管理网络服务系统。
平台可提供异构设备的互联、互通，并解决了各种系统之间的实时大容量数据交换、安全传输、授权认证、业务监管、多网融合等多方面问题，能够构建具备统一接警、迅速定位、快速反应、业务联动、集中监管、科学指挥、扩充性好等特点的一体化的物联网服务管理平台。
依据下述业务系统结构2，应用系统具有很好的扩展性和易用性，监测数据中心采用Web方式提供各种应用服务。
2.1.3产品优势
和目前一个应用建一个平台的方案比较，基于一家专业化集团型庞大企业物联网服务平台有如下的优势：
项目
目前使用平台
统一服务平台
成本
每一家分公司建一个平台，成本高，应用性不广泛。
整个集团建一平台，应用越多成本越低
数据处理
无法形成统一，总公司无法实时有效的得分部的信息，并且在短时间内作出有效的决策与导向。
数据统一、决策统一、信息上传于下方迅速。
其他运营成本
数据部统一导致其他运营成本升高，增加操作难度。
降低运营成本，傻瓜式操作。
可维护性
需要最终用户维护
统一维护
网管
考虑到成本一般不建
专业级的网管
系统升级
需要用户和厂家协调
统一考虑
2.2关键设备
2.2.1Zigbee网络设备（以下简称Z网设备）
Z网设备是整个物联网服务平台的关键部件，Z网设备设计要求具有高可靠性、稳定性、可控性以及灵活的通信方式支持。
Z网设备可靠性、稳定性在很大程度上决定着整个物联网服务平台系统的可靠性和稳定性，同时也决定着整个系统的成败。
依据不同的接口要求，Z网设备是一个系列产品，满足各类不同物联对象的连接要求，同时支持各种物联子网协议。
Z网设备的系列化也可以有效地提高设备的性价比。
Z网设备分：
1.Coordinator（发起者）它可以具备数据采集、数据发射等功能，具备服务器的功能。
*注意：
每个个网中只可有一个发起者，单个个网最多容纳65000多个设备。
2.FFD（路由者、网络节点）具备数据收集、发送，同时承担将其他RFD发送的数据转送出去的角色。
在功耗方面需要长期供电。
3.RFD（子节点）具备数据收、发功能。
Z网设备出现形式为：
个人终端、手机配件、U盘形式、电源插座设备、办公室中常见的一些办公用品、工控业中具有各种传感器的无线收发设备等。
在满足各项功能要求的情况全面提高了可靠性和稳定性设计，确保物联网服务平台系统的运行稳定可靠。
如个人终端硬件配置：
（1）根据实际用户要求直接定制硬件平台：
CPU可以为600MHz～1.0GHz
（2）TFT显示屏可以是4.3寸到8.0寸不等，触摸屏功能。
（3）通讯模组为：
Zigbee模组、WIFI模组、3G模组或GSM其他通讯模组。
（4）内置扬声器、MIC功能。
（5）内置可更换的电池（确保终端设备能够3-4小时运作）
（6）内置定制型软件。
具体设备如下图3
U盘形式的Z网设备
掌上电脑Z网终端
手机配件形式Z网终端
电源插座形式的Z网设备
工控行业Z网设备
2.2.2数据收集器
随着新一代3G移动数据通信业务的产生和全面投入，无线移动数据通讯的应用也越来越广泛。
高速的数据传输和永远在线特点，配合按流量收费的资费方式，使移动数据通信通讯在工业控制、环境保护、道路交通、商务金融、移动办公、零售服务等行业中的应用具有无可比拟的性价比优势。
依托移动数据通信技术的迅猛发展，将其应用到行业应用领域，可以达到降低成本，简化结构等成效。
物联网服务平台是以移动数据网络为通信传输平台（即远程传输平台），采用EVDO、CDMA1X、GPRS、SMS、CSD等承载方式，服务于行业用户的数据传输业务，特别适用于间断性的、突发性的和频繁的、少量的数据传输，尤其适用于M2M领域的应用。
物联网服务平台的应用前景是非常广泛的，结合创新的Z网设备，具有使用成本低、准确性高、对环境适应性好、易于安装、易于维护等特点，能够为用户提供高速、永远在线、可靠的数据传输服务和虚拟专用数据通信网络服务，完全能够满足行业数据采集、传输和监控的物联需要。
3G无线数据网络是物联网服务平台应用管理中心连接Z网设备的主要网络支撑。
在实际应用当中，考虑到移动数据网络自身特点，目前的移动数据网还不适宜于众多的长联终端，因为，众多的长联终端会导致移动基站负荷超载，影响正常的语音通信；
而物联网服务平台的众多物联对象也不是需要始终在线的长联，而是在需要进行数据传输时保证有效连接，数据传输完毕既可断开长联，这样既有效地解决了移动数据网络的长联资源占用问题，又有效地满足了物联网服务平台数据传输。
因此，为了提供高效的移动数据网络连接控制，Z网设备采用阶段性时间自我唤醒技术来控制网络的连接。
数据收集器组成:
32位ARM处理器、电源管理部分、Zigbee无线传输模块、GPRS或GSM或3G通讯模组或WIFI模组等。
数据收集器工作示意图图4
Z网设备与数据收集器工作示意图5
2.2.3内置短距离传输模块——Zigbee无线传输模块（2.4GHz传输速率为250KB/S全球通）
2.4GHzZigbee无线传输模块采用的是目前世界领先的OQPSK调制方式，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰。
MAC应用（APS部分）有应答重传功能，它的CSMA机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。
当Zigbee网络受到外界干扰，无法正常工作时，整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。
HC-Z001无线通信模块是一款具有自主知识产权、采用专利技术的低电压微功耗收发双功模块。
该模块具有超小体积（15*20*2mm）、低功耗、低电压、宽电源电压范围、高灵敏度、高稳定性、高抗干扰、高性价比等特点，可以通过无铅认证、FCC、CE各项指标认证，是短距离无线数据传输的理想选择。
如图6
性能指标：
●工作频率：
2.4GHZIEEE802.15.4Systems
●支持基于接受信号强度（RSSI）的灵活定位引擎
●32MHz的单周期低功耗增强型8051微控制器核心
●高达256kB的闪存和20K的擦除周期，以支持无线更新和大型应用程序。
●工作电压：
3.0V-3.6V
●工作电流：
最大29mA
●休眠电流：
最大电流1uA
●调制方式：
OQPSK
●灵敏度：
典型-97dBm最差-92dBm（或-88dBm）
●传输速率：
250Kbps
●接收带宽：
2394MHz~2507MHz
●RSSIRange:
100dB
●Channels:
14Channels
●Encryption:
128bitAESEncryption
●天线阻抗：
50欧姆
●模组发射功率：
-28dBm~4.5dBm
●电平标准外形尺寸：
15*20*2mm[宽×
长×
厚]
●工作温度：
-40~+85℃（-45~+100℃订制）
2.2.4通信服务网关
通信服务网关是物联网服务平台应用管理中心与前端物联网感知层实现数据通信与传输的网关，通信服务网关位于平台应用管理中心，此平台可以在于运行合作建立在运行商服务中心或建立在集团总部服务器机房或其他。
通信服务网关软件设计是关键，在面向众多分布的Z网设备连接与通信时，如何高效、实时、稳定地是系统设计的关键。
通信服务网关可以自动按照策略完成与Z网设备通信与调度，并将从Z网设备获得的数据按照平台要求进行分类存储保存，供平台管理系统处理调用。
2.2.5网管系统
为保障物联网服务平台的平稳安全运行，实现网络的动态调整与扩展，必须规划网络管理系统。
通过网络管理，提供对网络的动态监测、检测、资源统计、故障分析、用户记录跟踪等手段，对网络资源（重点是数据收集器、Z网设备包含传感器和物联对象数据采集设备等物联资源）进行性能与故障管理。
选用的网络管理软件应支持多种服务、管理功能及兼容性要求。
利用先进的网络管理软件，使得可以通过管理工作站监测整个物联网服务平台的运行状态，合理分配系统资源，动态配置网络负载，帮助网管人员分析、定位故障，提供故障解决建议。
如图7
物联网服务平台网管系统设计内容包括网络管理目标、网络管理内容两部分。
1、网络管理目标
◆网管系统的目标是保证物联网服务平台的安全、畅通及负载均衡，以及平台设备的正常运行，以使物联网服务平台系统稳定、高效地运行。
2、网络管理内容
（1）系统设备管理
（2）数据收集器管理
（3）Z网设备（包括物联对象传感等）管理
2.3应用服务方案
物联网服务平台在设计时充分考虑到行业用户对实际应用服务业务需求，既可以满足行业专用应用服务的业务需求，又可以满足共享应用服务的业务需求。
为分别满足不同的行业用户的应用模式，物联网服务平台支持两种行业应用方案：
✧服务专用应用方案
物联网服务平台为行业用户的物联业务提供数据连接通道，数据通过专网或公网连接传输到行业用户的数据中心，由行业用户自己的数据处理平台进行处理与管理。
行业用户的数据处理可以采用物联网服务平台提供的应用软件，也可以自行开发应用软件。
✧服务共享应用方案
物联网服务平台为行业用户的提供直接的数据应用服务，数据处理和存储都是在物联网服务平台数据管理中心完成。
行业用户不要自身建立数据中心处理系统，只要通过专网或公网连接到物联网服务平台数据管理中心直接使用应用。
2.3.1服务专用应用方案
服务专用应用方案如图8：
（1）集团型企业：
在集团工作范围内有规律、有区域的安装Z网设备。
2.3.2服务共享应用方案
服务共享应用方案如图9所示。
图9服务共享应用方案
3行业应用
3.1行业应用
3.1.1物联网在农业中的应用：
比较成熟的包括动物溯源、温室监控、森林防火监控等如图10
农业标准化生产监测系统:
是将农业生产中最关键的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤温度、土壤含水率等数据信息实时采集，利用物联网运营平台和各种Z网设备，以短信、WEB、WAP的手段可以实时撑握农业生产的各种数据。
动物标识溯源系统：
面对国内日益频发的食品质量与安全问题，国内有运营商与农业部合作开发了动物标识溯源系统。
该系统通过标识编码、标识佩戴、信息录入与传输、数据汇总、分析和查询。
实现了各环节一体化全程监控、达到动物养殖、防疫、检疫、和监督的有效结合，从而能够对动物疫情和动物产品的安全事件进行快速、准确的溯源和处理。
3.1.2物联网在工业中的应用：
在工业领域，比较成功的物联网应用是工业自动化控制、监控和企业安防监控等。
城市电梯安防管理系统：
利用物联网平台，建设一个由政府主管部门对城市特种设备的管理和监控平台，城市电梯安防管理系统是基于GIS和LBS平台，利用无线覆盖技术对城市的所有电梯和特种进行网络连接，以便于政府主管部门、电梯使用单位、电梯厂商和电梯维保企业对于电梯产品的信息和运行状况的撑握。
更有利于对电梯安全信息管理。
该系统通过安装在电梯外围的Z网设备采集电梯正常运行、冲顶、蹲底、停电、关人等数据，并经无线传输模块将数据传送到物联网的业务平台。
由专业业务平台实现电梯安全运行监控、故障管理、维保管理等业务功能。
帮助政府主管部门、电梯厂商、电梯维保企业和使用单位实现电梯安全的信息化管理。
3.1.3物联网在服务产业中的应用
物联网在服务行业中的应用更加广泛诸如：
GPS导航、GPSONE定位、智能物流、船舶监控调度、户外广告管理、自动售货、消防监控、危险源监控、基站监控、路灯监控、智能家居等。
其中无线覆盖部分可以用于各个系统的数据采集端。
智能家居应用示意
商业圈应用示意图
3.2容量分析
美国ABIResearch公司预测，利用手机网的M2M（MachinetoMachine）模块的全球市场2006～2012年将以年均31％的速度增长。
美国权威咨询机构forrester预测，到2020年世界上物物互联的业务跟人与人通信的业务相比，将达到30：
1。
仅仅在智能电网和机场防入侵系统方面的市场就有上千亿元。
在我国M2M已被正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划》
图：
M2M行业细分市场需求
随着各种通信技术从平行、独立地发展，逐步走向融合，如移动通信技术与IP网络的融合；
电信网、电视网、计算机网、卫星通信网络走向融合，形成了新一代技术－M2M技术，以实现人与人（MantoMan）、人与机器（MantoMachine）、机器与机器（MachinetoMachine）之间畅通无阻、随时随地的通信。
通过M2M技术提供的统一网络平台，能够实现数字化城市中的信息资源共享和数据资源共享。
4市场竞争和营销策略
4.1市场竞争环境分析
通信M2M行业目前尚处于产业的形成阶段，行业技术标准方面已逐渐趋于一致，但各厂家由于市场定位、产品和技术的战略侧重点各不相同，在模块的接口、协议和应用的模式等表现出个性上的较大差异，尚没有形成垄断企业。
国外制造商发展成熟，规模较大，产品技术较先进，但目前国外厂商按照国外主流3G制式WCDMA为主。
由于国内的政企客户和行业的应用主要集中在中国电信，中国电信的3G制式是CDMA2000EVDO，这样国外厂商与我们在国内市场上的竞争相对并不非常激烈。
随着中国三大运行商快速进入M2M领域迅速的发展，使得行业外延和规模出现质的发展，由此，有能力介入该产业的国内厂商如华为、中兴等通信企业已经介入，行业的竞争力度逐渐增加。
4.2公司核心竞争力
高层管理团队：
公司核心成员均受过良好的高等教育，品质优秀，能力互补，在技术方面拥有多项研发成果，在营销方面有多年市场运作的佳绩，战略明确，目标一致，凝聚力很强；
产品技术：
公司现有的产品线已基本稳定，技术水平在国际处于领先地位，并已经过市场认可，竞争性强，同时根据国内外权威数据，公司的产品线未来市场容量很大，前景看好。
4.3市场竞争策略
4.3.1市场定位
●在目前Zigbee短距离通信模块产品的基础上，将其产品系列化同时公司逐步建立完善的、人性化的M2M整体解决方案，扩大公司产品目标市场。
●服务各大运营商和渠道商，结成销售联盟，形成联动。
●与大型商圈、集团型企业进行紧密合作，建立具有标志性的、
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