第1章-wsn與zigbee概述

1、,Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用,哈爾濱商業(yè)大學(xué)管理學(xué)院,,考核方式平時(shí)成績(jī)（20分）期中成績(jī)（20分）期末成績(jī)（卷面*0.6）參考書(shū)Zigbee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程——基于CC2530的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)，姜仲等，清華大學(xué)無(wú)線(xiàn)龍，Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)原理，冶金工業(yè)金純，Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析，國(guó)防工業(yè),課程說(shuō)明,,,,,,,第1章 WSN與Zigbee概述,本講內(nèi)容,理解Zigbee與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系掌握Z(yǔ)igbee技術(shù)

2、概念理解Zigbee技術(shù)特點(diǎn)了解常用Zigbee芯片的特點(diǎn)了解幾種常見(jiàn)的Zigbee協(xié)議棧掌握Z(yǔ)igbee軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的建立和安裝,物聯(lián)網(wǎng)（IOT）-感知網(wǎng)絡(luò),早期物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過(guò)射頻識(shí)別（ RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2011年，工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)》對(duì)物聯(lián)網(wǎng)

3、的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無(wú)縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的?！?1. WSN,無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的定義是：大規(guī)模，無(wú)線(xiàn)、自組織、多跳、無(wú)分區(qū)、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)．其中的節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長(zhǎng)的工

4、作時(shí)間。 在通信方式上，雖然可以采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外和光等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，為明確起見(jiàn)，一般稱(chēng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN． Wireless Sensor Network)。,WSN通信體系結(jié)構(gòu),WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),WSN發(fā)展歷程,第一階段：20世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期的傳感器網(wǎng)絡(luò)胡志明小道的熱帶樹(shù)第二階段：20世紀(jì)80年代至90年代美軍方的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)第三

5、階段：21世紀(jì)至今，自組織、低功耗節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),WSN的特點(diǎn),（1）硬件資源有限（2）電源容量有限（3）通信能量有限（4）計(jì)算能力有限（5）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集（6）自組織，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)（7）以數(shù)據(jù)為中心（8）多跳路由（9）節(jié)點(diǎn)出故障的可能性較大,WSN關(guān)鍵技術(shù),（1）時(shí)間同步技術(shù)（定期同步）（2）定位技術(shù)（GPS+多點(diǎn)協(xié)作定位算法）（3）分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合（4）安全技術(shù)（5）精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)（

6、Tinyos,vxworks,μCLinux, μCOS）（6）能量工程(獲取、存儲(chǔ)),WSN應(yīng)用,智能交通智能農(nóng)業(yè)醫(yī)療健康工業(yè)控制軍事應(yīng)用災(zāi)難救援與臨時(shí)場(chǎng)合家庭應(yīng)用其他（空間探索、物流、環(huán)境監(jiān)測(cè)、測(cè)量）,無(wú)線(xiàn)傳感器通信標(biāo)準(zhǔn),1998 年，IEEE 802.15 工作組成立, 從事 WPAN 標(biāo)準(zhǔn)化工作。它的任務(wù)是開(kāi)發(fā)一套適用于短程無(wú)線(xiàn)通信的標(biāo)準(zhǔn)，分為 4 個(gè)工作組：TG1: 中速、近距離?藍(lán)牙工作組,手機(jī)，PDAT

7、G2:共存工作組，解決 802.11 和 802.15 之間共存的問(wèn)題，WLAN。TG3: 高速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，個(gè)人多媒體TG4: 低速無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)；ZigBee，ZigBee 是基于 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。,典型WSN,紅外藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)Zigbee,藍(lán)牙、WIFI、Zigbee三種技術(shù)的比較,- 16 -,2. Zigbee技術(shù)概述,- 17 -,名字的由來(lái) Zigbee名字起源于蜜蜂之間傳遞信息的

8、方式。蜜蜂通過(guò)一種特殊的肢體語(yǔ)言告知同伴新發(fā)現(xiàn)的事物源位置信息，這種肢體語(yǔ)言是ZigZag型舞蹈，借此意義以Zigbee作為新一代無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的命名。,2.1 Zigbee簡(jiǎn)介,Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4僅處理低級(jí)的MAC（媒體接入控制協(xié)議）層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。,,注：2.4GHZ是全球通用的ISM頻段，915MHZ是北美的ISM頻段，896M

9、HZ是歐洲認(rèn)可的ISM頻段。ISM：Industrial, Scientific and Medical,Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Zigbee基本設(shè)備,,ZigBee終端設(shè)備（End-device） 一個(gè)終端設(shè)備對(duì)于維護(hù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒(méi)有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點(diǎn)。,Zigbee基本概念,Zigbee基本概念,Zigbee 應(yīng)用領(lǐng)域,- 32 -,2003年12月，Chipcon公司推出

10、第一款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2420,,2.2 Zigbee 技術(shù)的發(fā)展,+,- 33 -,2004年12月，Chipcon公司推出全球第一個(gè)IEEE802.15.4 Zigbee片上系統(tǒng)解決方案——CC2430無(wú)線(xiàn)單片機(jī)，該芯片內(nèi)部集成了一款增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)性能卓越的射頻收發(fā)器CC2420。,,技術(shù)的發(fā)展,,,,8051,CC2420,- 34 -,2005年12月，Chipc

11、on公司推出內(nèi)嵌定位引擎的Zigbee IEEE802.15.4解決方案CC2431。2006年2月，TI公司收購(gòu)Chipcon公司，又相繼推出一系列的Zigbee芯片，比較有代表性的片上系統(tǒng)如CC2530。,,技術(shù)的發(fā)展,,技術(shù)的發(fā)展,2007年1月，TI公司宣布推出Zstack協(xié)議棧V2.4.1 2007年7月，V1.4.22008年1月，V1.4.32008年3月，V2.0.02008年6月，V2.1.0…2010年

12、12月，V2.4.0,技術(shù)的發(fā)展,2.3 Zigbee 軟件協(xié)議棧,- 39 -,非開(kāi)源的協(xié)議棧常見(jiàn)的非開(kāi)源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。 Freescale中最簡(jiǎn)單的Zigbee解決方案就是SMAC協(xié)議，是面向簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用，不涉及網(wǎng)絡(luò)概念。Freescale完整的Zigbee協(xié)議棧為BeeStack協(xié)議棧，也是最復(fù)雜的協(xié)議棧，看不到具體的代碼，只提供一些封裝好的函數(shù)直

13、接調(diào)用。,- 40 -,非開(kāi)源的協(xié)議棧常見(jiàn)的非開(kāi)源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。 Microchip提供的Zigbee協(xié)議為Zigbee@PRO和Zigee@RF4CE ，均是完整的Zigbee協(xié)議棧，但是收費(fèi)偏高。,半開(kāi)源的協(xié)議棧TI公司開(kāi)發(fā)的ZStack協(xié)議棧是一個(gè)半開(kāi)源的Zigbee協(xié)議棧，是一款免費(fèi)的Zigbee協(xié)議棧，它支持Zigbee和ZigbeePRO，并向

14、后兼容Zigbee2006和Zigbee2004。Zstack內(nèi)嵌了OSAL操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言代碼，使用IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)，比較易于學(xué)習(xí)，是一款適合工業(yè)級(jí)應(yīng)用的Zigbee協(xié)議棧。,開(kāi)源的協(xié)議棧Freakz是一個(gè)徹底開(kāi)源的Zigbee協(xié)議棧，配合contiki操作系統(tǒng)，contiki的代碼全部為C語(yǔ)言編寫(xiě)，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)比較容易上手。Freakz適合用于學(xué)習(xí)，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，Zstack比較實(shí)用。,,,2.4 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),IAR軟件集

15、成開(kāi)發(fā)平臺(tái)Zigbee嗅探器（Zigbee Sniffer）物理地址修改軟件（SmartRF Flash Programmer）輔助軟件,IAR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),IAR Embedded Workbench（簡(jiǎn)稱(chēng)IAR或EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是完整且容易使用的嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，對(duì)不同的處理器提供不同的版本（例如IAR For51，F(xiàn)or ARM，F(xiàn)or AVR等），且提供一樣的直觀用戶(hù)界面,IAR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),IAR安

16、裝,IAR For 51版，其對(duì)硬件的配置 如下。,IAR安裝,雙擊安裝程序進(jìn)行安裝,IAR安裝,進(jìn)入安裝界面,IAR安裝,,,,,,IAR安裝,安裝,IAR安裝,安裝,IAR安裝,安裝,IAR安裝,安裝,IAR安裝,安裝,IAR安裝,安裝完成,IAR安裝,安裝完成,Zigbee Sniffer,Zigbee嗅探器（程序名是ZigbeeSniffer.exe）是用來(lái)分析Zigbee各層的幀結(jié)構(gòu)程序，程序的運(yùn)行需要配合“Zigbee嗅探器

17、設(shè)備”才可運(yùn)行,- 61 -,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件仿真器驅(qū)動(dòng)軟件USB轉(zhuǎn)串口軟件,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件,物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）是TI提供的，可用于讀取或者修改芯片物理地址，,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,

18、雙擊圖標(biāo)進(jìn)入安裝界面,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,選擇“Chang…”可以選擇安裝路徑,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,選擇完全安裝,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,安裝過(guò)程,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件安裝,2.5 輔助軟件,仿真器驅(qū)動(dòng),仿真器驅(qū)動(dòng)程序用于驅(qū)動(dòng)Zigbee仿真器以便下載和調(diào)試IAR EW程序。IAR EW自帶了CC2530的仿真器下載調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序

19、。第一次使用仿真器時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示找到新硬件,2.5 輔助軟件,仿真器驅(qū)動(dòng),點(diǎn)擊瀏覽選擇驅(qū)動(dòng)文件,2.5 輔助軟件,仿真器驅(qū)動(dòng),仿真器硬件驅(qū)動(dòng)程序目錄為C:\Program Files\IAR Systems\Embedded Workbench 5.3 Evaluation version\8051\drivers\Texas Instruments（本例是將IAR安裝在C盤(pán)）,仿真器驅(qū)動(dòng),選擇驅(qū)動(dòng)程序文件完成后，點(diǎn)擊下一步,仿

20、真器驅(qū)動(dòng),安裝完成,- 75 -,USB轉(zhuǎn)串口軟件,USB轉(zhuǎn)串口用于擴(kuò)展PC機(jī)的串口，方便沒(méi)有物理串口的機(jī)器使用串口 ，USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動(dòng)軟件安裝和仿真器的驅(qū)動(dòng)軟件安裝過(guò)程一樣，第一次使用時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示找到新硬件,USB轉(zhuǎn)串口軟件,選擇軟件安裝，本書(shū)中USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝位置在Zigbee/CH1/1.G.3/中,USB轉(zhuǎn)串口軟件,安裝完成,2.6 Zigbee硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),Zigbee硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用Altium Desig

21、ner軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行原理圖和PCB圖的繪制,2.6 Zigbee硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái),Zigbee硬件平臺(tái)為Zigbee開(kāi)發(fā)套件,- 80 -,CC243X系列 CC253X系列MC1322X系列,Zigbee芯片,Zigbee硬件平臺(tái)連接—協(xié)調(diào)器,Zigbee硬件平臺(tái)連接—路由器或終端節(jié)點(diǎn),Zigbee硬件平臺(tái)連接—嗅探器,CC2530仿真器具有在線(xiàn)下載、調(diào)試、仿真等功能。,,,,,,,小結(jié),,Zigbee是一種新興的短距離、

22、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接Zigbee的特點(diǎn)是功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠安全常見(jiàn)的Zigbee芯片有CC243X系列、MC1322X系列和CC253X系列常見(jiàn)的Zigbee協(xié)議棧有msstatePAN協(xié)議棧、freakz協(xié)議棧和Zstack協(xié)議棧Zigbee軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括IAR、Zigbee Sniffer、物理地址修改軟件以及其它輔助軟件 Zigbee硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用Altium