無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程第2版第6章

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡明教程（第2版）,崔遜學(xué)左從菊 編著,第6章 傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),本章內(nèi)容,6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的意義6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)6.3 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)6.3.1 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)概述6.3.2 物理層6.3.3 MAC 子層6.3.4 符合 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)例,本章內(nèi)容,6.4 ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)6.4.1 ZigBee 概述6.4.2 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范6.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)6.4.4 符合ZigBee規(guī)范的傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)例,6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的意義,無線傳感器標(biāo)準(zhǔn)化,實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益,擴(kuò)大市場,低成本,可大量部署,無線傳感器網(wǎng)絡(luò),6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的意義,兩個(gè)公認(rèn)成果是IEEE 1451接口標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 802.15.4低速率無線個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。,6.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的意義,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),1、IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的誕生,目前市場上在通訊方面所遵循的標(biāo)準(zhǔn)主要包括IEEE 803.2(以太網(wǎng))、IEEE 802.4(令牌總線)、IEEE FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)界面)、TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議)等，以此來連接各種變送器（包括傳感器和執(zhí)行器），要求所選的傳感器/執(zhí)行器必須符合上述標(biāo)準(zhǔn)總線的有關(guān)規(guī)定。,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),一般說來，這類測控系統(tǒng)的構(gòu)成可以采用如圖所示的結(jié)構(gòu)來描述。,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)都有自己規(guī)定的通信協(xié)議,互不兼容,IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)族,IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)是由IEEE儀器和測量協(xié)會(huì)的傳感器技術(shù)委員會(huì)發(fā)起制訂的。,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),制訂IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的目的:,定義一套通用的通信接口,使變送器(傳感器/執(zhí)行器)能夠獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò),解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題,互換性與互操作性,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),IEEE 1451.1標(biāo)準(zhǔn)的智能變送器模型,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)的組成結(jié)構(gòu)如圖所示，這些標(biāo)準(zhǔn)可以在一起應(yīng)用，構(gòu)成多種網(wǎng)絡(luò)類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨(dú)使用。,6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),IEEE 1451.3,1.3,分布式多點(diǎn)系統(tǒng)數(shù)字通信和變送器電子數(shù)據(jù)表格式,1.4,混合模式通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式,IEEE 1451.4,1.5,為智能傳感器的連接提供無線解決方案,IEEE 1451.5,IEEE 1451.2,1.2,變送器與微處理器通信協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)表格式,IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),6.2 IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn),6.3 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點(diǎn)：,(1) 在不同的載波頻率下實(shí)現(xiàn)20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率； (2) 支持星型和點(diǎn)對點(diǎn)兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； (3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴(kuò)展地址； (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)(CSMA-CA)； (5) 支持確認(rèn)機(jī)制，保證傳輸可靠性。,6.3.1 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)概述,IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),6.3.2 物理層,信道的頻段中心定義如下(其中k表示信道編號(hào))：,fc=868.3MHZ k= 0 fc=906+2(k1)MHz k=1,2，10 fc=2405+5(k11)MHz k=11，12，26,6.3.2 物理層,1、物理層服務(wù)規(guī)范,6.3.2 物理層,IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層參考模型,2、物理層幀結(jié)構(gòu),IEEE 802.15.4 物理層的幀結(jié)構(gòu),6.3.2 物理層,1、MAC層服務(wù)規(guī)范,6.3.3 MAC子層,IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的MAC層組件接口,2、MAC層的幀結(jié)構(gòu),IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的 MAC層的通用幀結(jié)構(gòu),6.3.3 MAC子層,6.4 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),1、ZigBee的由來,ZigBee技術(shù)是一種面向自動(dòng)化和無線控制的低速率、低功耗、低價(jià)格的無線網(wǎng)絡(luò)方案。在ZigBee方案被提出一段時(shí)間后，IEEE 802.15.4工作組也開始了一種低速率無線通信標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。最終Zigbee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)被命名為“ZigBee”。,6.4.1 ZigBee概述,通信速率低于藍(lán)牙,不更換電池并且不充電的情況下正常工作幾個(gè)月甚至幾年,提供無線通信功能,通信要求,6.4.1 ZigBee概述,傳輸距離,6.4.1 ZigBee概述,協(xié)議芯片是協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的載體，也是最容易體現(xiàn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種形式。 目前市場上出現(xiàn)了較多的ZigBee芯片產(chǎn)品及解決方案，有代表性的包括Jennic公司的JN5121/JN5139、Chipcon公司的CC2430/CC2431（被TI公司收購）和Freescale公司MC13192、Ember公司的EM250等系列的開發(fā)工具和芯片。,協(xié)議芯片,6.4.1 ZigBee概述,2、ZigBee協(xié)議框架,完整的ZigBee協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。,6.4.1 ZigBee概述,直接序列擴(kuò)頻技術(shù)可使物理層的模擬電路設(shè)計(jì)變得簡單，且具有更高的容錯(cuò)性能，適合低端系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。,2.4GHz,250kbps,16信道,915MHz,40kbps,10信道,868MHz,250kbps,單信道,物理層采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)技術(shù)，定義了三種流量等級：,6.4.1 ZigBee概述,ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),6.4.1 ZigBee概述,(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)率只有10kbps250kbps，專注于低傳輸應(yīng)用。 (2) 有效范圍?。河行Ц采w范圍1075m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。 (3) 工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為無需申請的ISM頻段。 (4) 省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節(jié)五號(hào)電池支持長達(dá)6個(gè)月至2年左右的使用時(shí)間，當(dāng)然不同應(yīng)用的功耗有所不同。,3、ZigBee的技術(shù)特點(diǎn),6.4.1 ZigBee概述,(5) 可靠：采用碰撞避免機(jī)制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突。 (6) 成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單，降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可免專利費(fèi)。 (7) 時(shí)延短：設(shè)備搜索時(shí)延的典型值為30ms，休眠激活時(shí)延的典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms。 (8) 網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納多達(dá)254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)布置多達(dá)100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。 (9) 安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認(rèn)證功能，加密算法采用AES-128，應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。,6.4.1 ZigBee概述,網(wǎng)絡(luò)層從功能上為IEEE 802.15.4 MAC子層提供支持，為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用層的接口，網(wǎng)絡(luò)層從邏輯上分為兩個(gè)具備不同功能的服務(wù)實(shí)體，分別是數(shù)據(jù)實(shí)體和管理實(shí)體。,6.4.2 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范,ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的幀結(jié)構(gòu), 幀控制域：由16位組成，內(nèi)容包括幀種類、尋址、排序域和其它的控制標(biāo)志位。 目標(biāo)地址域：必備，有兩個(gè)8位字節(jié)長，用來存放目標(biāo)設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址或者廣播地址(0xffff)。 源地址域：必備，有兩個(gè)8位字節(jié)長，用來存放發(fā)送幀設(shè)備自己的16位網(wǎng)絡(luò)地址。 半徑域：必備，有一個(gè)8位字節(jié)長，用來設(shè)定傳輸半徑。 序列號(hào)域：必備，有一個(gè)8位字節(jié)長，在每次發(fā)送幀時(shí)改為加1。 幀負(fù)載域：該域長度可變，內(nèi)容由具體情況決定。,6.4.2 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范,1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)事項(xiàng),(1) ZigBee協(xié)議棧,ZigBee系統(tǒng)軟件的開發(fā)是在廠商提供的ZigBee協(xié)議棧的MAC和物理層基礎(chǔ)上進(jìn)行的。協(xié)議棧分有償和無償兩種。,無償?shù)膮f(xié)議棧能夠滿足簡單應(yīng)用開發(fā)的需求，但不能提供ZigBee規(guī)范定義的所有服務(wù)，有些內(nèi)容需要用戶自己開發(fā)。例如，Microchip公司為產(chǎn)品PICDEMO開發(fā)套件提供了免費(fèi)的MP ZigBee協(xié)議棧；Freescale公司為產(chǎn)品13192