第1章-wsn與zigbee概述

1、,Zigbee網(wǎng)絡技術及應用,哈爾濱商業(yè)大學管理學院,,考核方式平時成績（20分）期中成績（20分）期末成績（卷面*0.6）參考書Zigbee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網(wǎng)技術，姜仲等，清華大學無線龍，Zigbee無線網(wǎng)絡原理，冶金工業(yè)金純，Zigbee技術基礎及案例分析，國防工業(yè),課程說明,,,,,,,第1章 WSN與Zigbee概述,本講內(nèi)容,理解Zigbee與無線傳感器網(wǎng)絡的關系掌握Zigbee技術

2、概念理解Zigbee技術特點了解常用Zigbee芯片的特點了解幾種常見的Zigbee協(xié)議棧掌握Zigbee軟硬件開發(fā)平臺的建立和安裝,物聯(lián)網(wǎng)（IOT）-感知網(wǎng)絡,早期物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（ RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。2011年，工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》對物聯(lián)網(wǎng)

3、的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(wǎng)絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的?！?1. WSN,無線傳感網(wǎng)絡的定義是：大規(guī)模，無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎設施支持的網(wǎng)絡．其中的節(jié)點是同構的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點不移動，被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡系統(tǒng)有盡可能長的工

4、作時間。 在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網(wǎng)絡使用，為明確起見，一般稱無線傳感器網(wǎng)絡(WSN． Wireless Sensor Network)。,WSN通信體系結構,WSN傳感器節(jié)點的結構,WSN發(fā)展歷程,第一階段：20世紀70年代越戰(zhàn)時期的傳感器網(wǎng)絡胡志明小道的熱帶樹第二階段：20世紀80年代至90年代美軍方的分布式傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)第三

5、階段：21世紀至今，自組織、低功耗節(jié)點網(wǎng)絡,WSN的特點,（1）硬件資源有限（2）電源容量有限（3）通信能量有限（4）計算能力有限（5）節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集（6）自組織，動態(tài)網(wǎng)絡（7）以數(shù)據(jù)為中心（8）多跳路由（9）節(jié)點出故障的可能性較大,WSN關鍵技術,（1）時間同步技術（定期同步）（2）定位技術（GPS+多點協(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（5）精細控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術（

6、Tinyos,vxworks,μCLinux, μCOS）（6）能量工程(獲取、存儲),WSN應用,智能交通智能農(nóng)業(yè)醫(yī)療健康工業(yè)控制軍事應用災難救援與臨時場合家庭應用其他（空間探索、物流、環(huán)境監(jiān)測、測量）,無線傳感器通信標準,1998 年，IEEE 802.15 工作組成立, 從事 WPAN 標準化工作。它的任務是開發(fā)一套適用于短程無線通信的標準，分為 4 個工作組：TG1: 中速、近距離?藍牙工作組,手機，PDAT

7、G2:共存工作組，解決 802.11 和 802.15 之間共存的問題，WLAN。TG3: 高速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，個人多媒體TG4: 低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡；ZigBee，ZigBee 是基于 802.15.4 標準的技術。,典型WSN,紅外藍牙無線局域網(wǎng)Zigbee,藍牙、WIFI、Zigbee三種技術的比較,- 16 -,2. Zigbee技術概述,- 17 -,名字的由來 Zigbee名字起源于蜜蜂之間傳遞信息的

8、方式。蜜蜂通過一種特殊的肢體語言告知同伴新發(fā)現(xiàn)的事物源位置信息，這種肢體語言是ZigZag型舞蹈，借此意義以Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。,2.1 Zigbee簡介,Zigbee的基礎是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4僅處理低級的MAC（媒體接入控制協(xié)議）層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡層協(xié)議和應用層進行了標準化。,,注：2.4GHZ是全球通用的ISM頻段，915MHZ是北美的ISM頻段，896M

9、HZ是歐洲認可的ISM頻段。ISM：Industrial, Scientific and Medical,Zigbee網(wǎng)絡拓撲,Zigbee基本設備,,ZigBee終端設備（End-device） 一個終端設備對于維護這個網(wǎng)絡設備沒有具體的責任,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。,Zigbee基本概念,Zigbee基本概念,Zigbee 應用領域,- 32 -,2003年12月，Chipcon公司推出

10、第一款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器CC2420,,2.2 Zigbee 技術的發(fā)展,+,- 33 -,2004年12月，Chipcon公司推出全球第一個IEEE802.15.4 Zigbee片上系統(tǒng)解決方案——CC2430無線單片機，該芯片內(nèi)部集成了一款增強型的8051內(nèi)核以及當時業(yè)內(nèi)性能卓越的射頻收發(fā)器CC2420。,,技術的發(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。,,技術的發(fā)展,,技術的發(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,技術的發(fā)展,2.3 Zigbee 軟件協(xié)議棧,- 39 -,非開源的協(xié)議棧常見的非開源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。 Freescale中最簡單的Zigbee解決方案就是SMAC協(xié)議，是面向簡單的點對點應用，不涉及網(wǎng)絡概念。Freescale完整的Zigbee協(xié)議棧為BeeStack協(xié)議棧，也是最復雜的協(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 -,非開源的協(xié)議棧常見的非開源的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，但是收費偏高。,半開源的協(xié)議棧TI公司開發(fā)的ZStack協(xié)議棧是一個半開源的Zigbee協(xié)議棧，是一款免費的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)，標準的C語言代碼，使用IAR開發(fā)平臺，比較易于學習，是一款適合工業(yè)級應用的Zigbee協(xié)議棧。,開源的協(xié)議棧Freakz是一個徹底開源的Zigbee協(xié)議棧，配合contiki操作系統(tǒng)，contiki的代碼全部為C語言編寫，對于初學者來說比較容易上手。Freakz適合用于學習，對于工業(yè)應用，Zstack比較實用。,,,2.4 軟件開發(fā)平臺,IAR軟件集

15、成開發(fā)平臺Zigbee嗅探器（Zigbee Sniffer）物理地址修改軟件（SmartRF Flash Programmer）輔助軟件,IAR軟件開發(fā)平臺,IAR Embedded Workbench（簡稱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用開發(fā)工具，對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界面,IAR軟件開發(fā)平臺,IAR安

16、裝,IAR For 51版，其對硬件的配置 如下。,IAR安裝,雙擊安裝程序進行安裝,IAR安裝,進入安裝界面,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）是用來分析Zigbee各層的幀結構程序，程序的運行需要配合“Zigbee嗅探器

17、設備”才可運行,- 61 -,2.5 輔助軟件,物理地址修改軟件仿真器驅(qū)動軟件USB轉串口軟件,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、雙擊圖標進入安裝界面,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,仿真器驅(qū)動程序用于驅(qū)動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)動程序

19、。第一次使用仿真器時，操作系統(tǒng)會自動提示找到新硬件,2.5 輔助軟件,仿真器驅(qū)動,點擊瀏覽選擇驅(qū)動文件,2.5 輔助軟件,仿真器驅(qū)動,仿真器硬件驅(qū)動程序目錄為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）,仿真器驅(qū)動,選擇驅(qū)動程序文件完成后，點擊下一步,仿

20、真器驅(qū)動,安裝完成,- 75 -,USB轉串口軟件,USB轉串口用于擴展PC機的串口，方便沒有物理串口的機器使用串口 ，USB轉串口的驅(qū)動軟件安裝和仿真器的驅(qū)動軟件安裝過程一樣，第一次使用時操作系統(tǒng)會自動提示找到新硬件,USB轉串口軟件,選擇軟件安裝，本書中USB轉串口軟件安裝位置在Zigbee/CH1/1.G.3/中,USB轉串口軟件,安裝完成,2.6 Zigbee硬件開發(fā)平臺,Zigbee硬件設計開發(fā)平臺選用Altium Desig

21、ner軟件，對設備進行原理圖和PCB圖的繪制,2.6 Zigbee硬件開發(fā)平臺,Zigbee硬件平臺為Zigbee開發(fā)套件,- 80 -,CC243X系列 CC253X系列MC1322X系列,Zigbee芯片,Zigbee硬件平臺連接—協(xié)調(diào)器,Zigbee硬件平臺連接—路由器或終端節(jié)點,Zigbee硬件平臺連接—嗅探器,CC2530仿真器具有在線下載、調(diào)試、仿真等功能。,,,,,,,小結,,Zigbee是一種新興的短距離、

22、低速率無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接Zigbee的特點是功耗低、成本低、時延短、網(wǎng)絡容量大、可靠安全常見的Zigbee芯片有CC243X系列、MC1322X系列和CC253X系列常見的Zigbee協(xié)議棧有msstatePAN協(xié)議棧、freakz協(xié)議棧和Zstack協(xié)議棧Zigbee軟件開發(fā)平臺包括IAR、Zigbee Sniffer、物理地址修改軟件以及其它輔助軟件 Zigbee硬件開發(fā)平臺采用Altium