無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與ZigBee技術(shù)講座

講座提綱 現(xiàn)代無線通信技術(shù) 概要 無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 WPAN和 IEEE 802.15標(biāo)準(zhǔn) ZigBee技術(shù) 及其應(yīng)用分析 1. 無線通信 基礎(chǔ)理論 1-1.無線電 傳播和 電磁波譜 1-2.調(diào)制 與解調(diào) 技術(shù) 1-3.射頻 信號的發(fā)送與接收 1-1.無線電 傳播和電磁波譜 電磁輻射就是電場 和磁場連續(xù)不斷地交替出現(xiàn) ,表現(xiàn)為振蕩波形或是在 某一 頻帶內(nèi)上下交替 變化的 波形 。 所有 類型的電磁輻射 都 可 用波形描述 ,包括無線電波、微波、紅外光、可見光 、紫外光 、 X射線以及伽馬射線。 對射頻波而言 ,傳播代表發(fā)射 (或者傳播 )的無線電波是如何穿過大氣的。 傳播的一般規(guī)律是平方反比定律，即電磁波的強度與它傳播的距離平方成反比。 1-1.無線電 傳播和電磁波譜 電磁波 頻譜 1-1.無線電 傳播和電磁波譜 RF電磁波 頻譜 1-1.無線電傳播和電磁波譜 RF頻譜分配與管理 工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ ISM）開放頻段： UHF ISM - 902928 MHz（歐洲 868 MHz） S-Band ISM - 2.42.5 GHz C-Band ISM - 5.7255.875 GHz RF頻譜的頻段可分配給不同的授權(quán)或非授權(quán)業(yè)務(wù)使用。 每個國家和地區(qū)設(shè)有專門管理機構(gòu)，負責(zé)管理無線電頻譜的的使用權(quán)，包括所允許發(fā)送的信號功率和信號格式等 。 無線電頻譜管理機構(gòu) 工業(yè)和信息化部無線電管理局 國家無線電監(jiān)測中心 中國人民解放軍無線電管理機構(gòu) 省、自治區(qū)、直轄市和設(shè)區(qū)的市無線電管理機構(gòu) 國務(wù)院有關(guān)部門的無線電管理機構(gòu) 工業(yè)和信息化部無線電管理局 （國家無線電辦公室 ） 主要職責(zé) ： 1. 編制無線電頻譜規(guī)劃 ； 2. 負責(zé) 無線電頻率的劃分、分配與指配 ； 3. 依法 監(jiān)督管理 無線電臺 （站） ； 4. 負責(zé) 衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理 ； 5. 協(xié)調(diào) 處理軍地間無線電管理相關(guān)事宜 ； 6. 負責(zé)無線電 監(jiān)測、檢測、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜，維護空中電波秩序 ； 7. 依法組織實施 無線電管制；負責(zé)涉外無線電管理工作。 國家無線電監(jiān)測 中心 主要承擔(dān)無線電監(jiān)測和無線電頻譜管理工作。中心下設(shè) 13個處 室、9個國家級監(jiān)測站及 2個下屬單位 。 主要職責(zé) ： （一）貫徹執(zhí)行國家無線電管理方針政策和有關(guān)法律法規(guī)，研究提出無線電頻譜、全國無線電 監(jiān)測網(wǎng)、全國無線電管理信息系統(tǒng)的規(guī)劃意見，承擔(dān)無線電管理政策研究、 科學(xué)研究 及新技術(shù)開發(fā)工作。 （二）負責(zé)全國無線電短波、衛(wèi)星監(jiān)測和北京及周邊地區(qū)超短波監(jiān)測工作。 （三）負責(zé)無線電頻率劃分、分配、指配以及衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理的技術(shù)工作。 （四）負責(zé)無線電臺（站）審批、監(jiān)督管理的技術(shù)工作。 （五）負責(zé)國家重要時期、重大活動、重大事件無線電安全的技術(shù)保障工作。 （六）負責(zé)對無線電發(fā)射設(shè)備和非無線電設(shè)備的無線電波輻射的技術(shù)審查工作。 （七）負責(zé)全國無線電管理信息系統(tǒng)建設(shè)、運行、管理的技術(shù)工作。 （八）負責(zé)對各?。▍^(qū)、市）無線電管理工作進行技術(shù)指導(dǎo)。 （九）承擔(dān)涉外無線電管理的技術(shù)支撐工作。 （十）承辦工業(yè)和信息化部交辦的其他事項。 1-2.調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 調(diào)制和解調(diào)原理： 調(diào)制 -用無線電傳送消息的方法； 解調(diào) -從已調(diào)制無線電波中還原消息的方法 。 模擬信號調(diào)制方法： 調(diào)幅： 調(diào)頻或調(diào)相： 1-2.調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 數(shù)據(jù)編碼和調(diào)制 1. 數(shù)字數(shù)據(jù)的數(shù)字信號編碼： 單極性碼 : 歸零碼 (RZ)；不歸零碼 (NRZ). 雙極性碼 : 歸零碼 ；不歸零碼 ； 交替雙極性歸零碼 . 曼徹斯特碼 : Manchester編碼 ； 差分 Manchester編碼 。 2. 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬信號編碼： 調(diào)制與解調(diào) : ASK； FSK ； PSK； QAM 。 編碼方法 時鐘 NRZ Manchester 差分 Manchester 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1. ASK-幅度調(diào)制 2. FSK-頻率調(diào)制 3. PSK-相位調(diào)制 0 ) t fc o s ( 2A )( CC tS 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 0 ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A )(2211tS) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A ) t fco s ( 2A )(4C3C2C1CtS數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 0 0 數(shù)據(jù) 0 1 數(shù)據(jù) 1 0 數(shù)據(jù) 1 1 調(diào)制技術(shù) 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ASK FSK PSK 多級調(diào)制方法 1 01 10 00 0 +90 +180 +270 11 數(shù)據(jù)率 = n x 信號速率 +90 01 0 00 +270 11 +180 10 4-PSK 多級調(diào)制方法 2 16-QAM（正交振幅調(diào)制） ： 使用振幅和相位的 16種組合 90 0 45 135 180 225 270 315 1-3.射頻信號的發(fā)送與 接收 通信系統(tǒng)的基本模型 通信的基本 目的：在發(fā)送方與接收方之間交換信息 。 數(shù)據(jù)通信 基本模型： 信源 信宿 傳輸媒體 發(fā)送器 接收器 DTE DTE DCE DCE 傳輸鏈路 數(shù)據(jù)電路（信道） DTE - 數(shù)據(jù)終端設(shè)備 。 DCE - 數(shù)據(jù)通信設(shè)備或數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備 。 1-3.射頻信號的發(fā)送與 接收 發(fā)射機 和 接收機 無線通信系統(tǒng)通常包括一臺發(fā)射機和一臺或若干臺接收機 。 無線發(fā)射機通過適當(dāng)?shù)妮d波信號調(diào)制方式 ， 將模擬或數(shù)字信息通過天線發(fā)送出去 。 接收機則通過天線接收經(jīng)調(diào)制的載波信號 ， 通過解調(diào)器從中獲取發(fā)送方的原始信息 。 1-3.射頻信號的發(fā)送與 接收 影響 無線通信距離的因素 a) 發(fā)射機 功率、發(fā)射機天線增益； b) 載波 信號傳播或鏈路損耗； c) 接收機 天線增益、接收機靈敏度。 1-3.射頻信號的發(fā)送與接收 射頻信號的傳播和損耗 自由空間損耗 其中： D=距離， =波長 菲涅耳區(qū)理論 多徑衰落 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-1. 無線擴頻通信 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-1. 無線擴頻通信 FHSS跳頻擴頻 技術(shù) THSS跳時擴頻 技術(shù) DSSS直接序列擴 頻 跳頻擴頻（ FHSS） 在 ISM的 2.4GHz2.4835GHz頻段 (在 S-Band內(nèi) ),定義了 79個信道，每個信道帶寬為 1MHz，跳頻序列數(shù)為 078。 使用偽隨機發(fā)生器產(chǎn)生跳頻序列，每次跳頻的最小跳變距離為 6MHz。 每個信道的停延時間（ dwell time）必須小于400ms。 采用 2級或 4級的高斯頻移鍵控（ GFSK）調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn) 1Mbps或 2Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率 。 在 ISM的 2.4GHz2.4835GHz頻段 (在 S-Band內(nèi) ),定義了 79個信道，每個信道帶寬為 1MHz，跳頻序列數(shù)為 078。 使用偽隨機發(fā)生器產(chǎn)生跳頻序列，每次跳頻的最小跳變距離為 6MHz。 每個信道的停延時間（ dwell time）必須小于 400ms。 直接序列擴頻（ DSSS） IEEE802.11 在 ISM的 2.412GHz2.484GHz頻段 (在 S-Band內(nèi) ),定義了 14個頻道，每個頻道帶寬為 5MHz； 使用 11bits巴克序列 （ Barker sequence） 碼片 ，采用DBPSK或 DQPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)速率為 1Mbps或 2Mbps。擴頻后帶寬為 22MHz，占用 5個 頻道 。 IEEE802.11a 在 ISM的 5.725GHz5.875GHz頻段 (C-Band)定義了 52個信道， 48個用于數(shù)據(jù)傳輸、 4個用于同步； 使用 OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，基于 QAM調(diào)制技術(shù)， 216位二進制數(shù)據(jù)被編碼到 288位的碼元中，提供 54Mbps數(shù)據(jù)傳輸速率。 高速率直接序列擴頻（ HR-DSSS） IEEE802.11b 在 2.4GHz的 ISM頻段劃分 14個頻段； 使用每秒 11兆時間片，采取 CCK補碼鍵控編碼 與 QPSK調(diào)制 ； 提供 1/2/5.5/11Mbps動態(tài)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)速率。 1Mbps和 2Mbps運行在 1MBaud，分別采用 BPSK和 QPSK調(diào)制； 5.5Mbps和 11Mbps運行在 1.375MBaud ，使用Walsh/Hadamard編碼。 IEEE802.11g 是 802.11b的增強版本，運行在 2.4GHz的 ISM頻段； 使用 OFDM調(diào)制技術(shù)； 提供 1/2/5.5/11/54Mbps動態(tài)調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)速率。 在 ISM的 2.412GHz2.484GHz頻段 (在 S-Band內(nèi) )； 定義 14個頻道，每個頻道帶寬為 5MHz。 碼片、擴頻和相關(guān) 碼片 - 直接序列擴頻中使用的擴頻函數(shù) ,是一個“偽隨機”數(shù)字碼 ,具有以下數(shù)學(xué)特性： 1. 偽隨機特性 對廣播頻段的偶然接收者表現(xiàn)出隨機噪聲的特點； 可以使接收機的隨機碼產(chǎn)生器非常迅速地與接收信號的偽隨機碼同步。 2. 低自相關(guān)性 該序列與自身時移后的序列不具有相關(guān)性； 接收機可以拒收時延超過一個碼片周期的信號，這有助于提高數(shù)據(jù)鏈路的魯棒性，抵抗多徑干擾。 3. 低互相關(guān)性 減少了相關(guān)器被不同偽隨機碼編碼的信號干擾的機會； 在多址接人應(yīng)用中的這種碼字具有零互相關(guān)，這也是碼分多址CDMA中正交信號所具有的性質(zhì)。 補碼鍵控（ CCK） CCK - 使用一組擴碼，并依據(jù)輸人數(shù)據(jù)比特組的數(shù)值從這組擴碼中選擇一個碼。 片碼從一組 64 個碼字的集合中選取，選取時依據(jù)每 6 比特輸人數(shù)據(jù)的數(shù)值大小。 可以有效地利用頻譜，可以用 22MHz帶寬達到 11Mbps 的傳輸率。 需要 64 個相關(guān)器來找出其在 64 個碼字中所對應(yīng)的碼。 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-2. 信道 復(fù)用 和多址 接入 多路復(fù)用 技術(shù)原理 1. 時分復(fù)用 (TDM) 2. 頻分復(fù)用 (FDM)、 波分復(fù)用 (WDM) DEMUX 復(fù)用器 解復(fù)用器 共享信道 MUX （ 1）頻分多路復(fù)用示意圖 （ 2）時分多路復(fù)用示意圖 ch1 F 1 F 2 F 4 F 5 F 3 t F 1 F 5 t ch2 ch1 ch3 ch4 ch3 ch2 ch4 ch1 ch2 ch3 ch4 ch1 ch2 頻分復(fù)用 CH2 CH1 CH3 原始帶寬 CH1 CH2 CH3 頻分后帶寬 MUX CH1 CH2 CH3 帶寬復(fù)用 f 波分復(fù)用： FDM的變形 F2 F1 F3 光譜 F1 F2 F3 共享光纖的光譜 光纖 2 光纖 3 光纖 1 共享光纖 采用無源設(shè)備，更可靠 棱柱 /衍射光柵 時分復(fù)用 A2 A1 A3 原始信號 D2 D1 D3 數(shù)字化信號 MUX 復(fù)用后數(shù)據(jù) 時隙 1 2 3 4 D3 D2 D1 統(tǒng)計 TDM A B C D 待發(fā)數(shù)據(jù) t1 t2 t3 A1 B1 C1 D1 C2 D2 A2 B2 周期 1 周期 2 同步 TDM 帶寬浪費 A1 B1 C2 B2 周期 1 周期 2 統(tǒng)計 TDM 可用帶寬 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-2. 信道 復(fù)用 和多址 接入 OFDM正交頻分復(fù)用 正交頻分復(fù)用是頻分復(fù)用（ FDM）的一種形式，它在一個頻帶內(nèi)傳輸多個離散子載波； 選擇合適的子載波頻率，可使相鄰子載波之間的干擾降至最小。 控制每個子載波（也稱單音）的帶寬可以達到降低干擾的作用，可使子載波的頻率正好是其相鄰子載波的頻譜最小處： OFDM 應(yīng)用 作為 多址接人技術(shù)（ OFDM Access ），根據(jù)每個用戶的帶寬要求為其分配單個子載波或一組子載波。 將一路串行比特流可以分成多路并行比特流，每一路用一個單獨的子載波編碼。一個用戶使用多路子載波可以獲得高的數(shù)據(jù)吞吐量。 比特流可以采用片碼擴展，每個碼片可以通過單獨的子載波并行傳輸。這樣的系統(tǒng)被稱為多載波 CDMA （ MC-CDMA ）。 OFDM 無線通信也使用多個子載波，稱為導(dǎo)頻，來收集信道質(zhì)量的信息以幫助進行解調(diào)判決。 IEEE802.11a/g 標(biāo)準(zhǔn)在非授權(quán)的 2.4GHz和 5GHz ISM 頻段使用 OFDM 技術(shù)，可以提供高達 54 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。 系統(tǒng)使用 52個子載波，其中 48個用來傳送數(shù)據(jù)且采用 BPSK/QPSK 、16-QAM 或者 64-QAM 。剩余的 4 個子載波用做導(dǎo)頻。 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-2. 信道 復(fù)用 和多址 接入 無線多址接入技術(shù) TDMA時分多址 FDMA頻分多址 CDMA碼分多址 空分多址 2. 現(xiàn)代無線通信 技術(shù) 2-3. 無線通信新技術(shù) MIMO無線電 軟件 無線電 認知 無線電 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的 起源 1. 傳感器技術(shù)的 發(fā)展 2. WSN研究課題的 提出 3. 國內(nèi)外 研究的 進展 和 方向 歐洲的 EYES研究計劃 目的： 是研發(fā)新的基于 WSN的體系結(jié)構(gòu)和技術(shù)，使得新一代的傳感器節(jié)點能有效的進行組網(wǎng)，以泛在平臺的形式支持各種 WSN的應(yīng)用。 站 點信 息 服 務(wù)查 詢 服 務(wù)應(yīng) 用 層分 布 式 服 務(wù)傳 感 和 網(wǎng) 絡(luò) 層圖 1 EYES研究計劃的體系結(jié)構(gòu) 國內(nèi)對 WSN的研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，清華大學(xué)，中科院軟件所、沈陽自動化研究所等不少單位也廣泛開展了這方面的研究。 2004 年中國國家自然科學(xué)基金委員會將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)列為重點研究項目 國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006-2020) 在支持的重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題 “ 信息產(chǎn)業(yè)及現(xiàn)代服務(wù)業(yè) ” 中列入了 “ 傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理 ” , 并在前沿技術(shù)中重點支持 “ 自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ” 。 我國國家自然科學(xué)基金 2005 年資助的項目中，僅面上項目涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)的就有 15項之多 。 2006 年國家自然科學(xué)基金將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點研究方向 。 無線傳感器 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu) 1. 無線 傳感器 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 2. WSN的 技術(shù)特征和 系統(tǒng) 特點 3. WSN關(guān)鍵技術(shù) 和 應(yīng)用領(lǐng)域 無線傳感器節(jié)點通過電池供電，攜帶微處理器、存儲器和射頻模塊。 節(jié)點間需要通過射頻模塊自組織組網(wǎng)以無線多跳方式向控制中心傳輸數(shù)據(jù) 。 WSN通過對多傳感器感知的數(shù)據(jù)采用協(xié)同信號信息處理和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，以能量有效的方式，提高感知精度和探測范圍，并增加感知的魯棒性。 自組織、魯棒性和快速部署特性使得 WSN特別適合于軍事領(lǐng)域、反恐、防爆、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、家居、商業(yè)、工業(yè)等其它眾多領(lǐng)域，能完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務(wù) 。 能 量 模 塊電 池 或 者 其他 能 源 傳 感 器 A D C感 知 模 塊存 儲 器微 處 理 器處 理 模 塊無 線 收 發(fā) 器射 頻 模 塊算 法 和 協(xié) 議實 時 操 作 系 統(tǒng)圖 2 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)模塊 WSN和無線 ad hoc都屬于無線多跳網(wǎng)絡(luò)，在組網(wǎng)方式上有類似的地方，但是二者仍存在以下差別： 組成 WSN的無線傳感器節(jié)點的數(shù)目遠遠多于組成 ad hoc網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點， WSN中的節(jié)點往往是密集分