无线通教学讲解课件

ZigBee无线通讯技术交通物联网应用技术ZigBee无线通讯技术交通物联网应用技术1教学目的介绍ZigBee无线组网技术的基础知识，包扩IAR集成开发环境，ZigBee硬件接口，协议栈移植与应用掌握基于ZigBee无线网络的数据传输与应用，会使用常见的ZigBee开发工具与软件。教学目的介绍ZigBee无线组网技术的基础知识，包扩IAR集2ZigBee技术简介ZigBee技术概念ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。ZigBee技术简介ZigBee技术概念3ZigBee技术简介ZigBee技术的工作频段与规范ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。ZigBee技术简介ZigBee技术的工作频段与规范4ZigBee技术简介ZigBee技术特点数据传输速率低：10KB/秒~250KB/秒，专注于低传输应用。功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。网络容量大：网络可容纳65,000个设备。时延短：通常时延都在15ms~30ms。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定。传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。ZigBee技术简介ZigBee技术特点5ZigBee硬件接口介绍常见的ZigBee硬件方案MCU和RF收发器分离的双芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的单芯片SOC方案如：TICC2430/CC2431、STSTM32W108、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCUZigBee硬件接口介绍常见的ZigBee硬件方案6ZigBee硬件接口介绍CC2530处理器硬件接口微控制器 高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核； 32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试； 8KBRAM外设接口 21个可配置通用IO引脚； 2个同步串口； 1个看门狗定时器； 5通道DMA传输； 1个IEEE802.15.4标准MAC定时器和3个通用定时器； 1个32MHz睡眠定时器； 1数字接收信号强度指示RSSI/LQI支持； 8通道12位AD模数转换器，可配分辨率，内置电压、温度传感器检测； 1个AES安全加密协处理器；ZigBee硬件接口介绍CC2530处理器硬件接口7ZigBee硬件接口介绍STM32WARM处理器硬件接口STM32W是一款系统级（SoC）芯片，整合最优异的IEEE802.15.4射频性能与32位ARMCortex-M3处理器。STM32W系列的软件包括支持最新的ZigBeePRO规范以及ZigBeeRF4CEIEEE802.15.4MAC的软件库以及6LoWPAN无线嵌入式互联网解决方案协议。处理器型号为32位STM32W108，丰富的存储资源：128K字节Flash，8K字节RAM。ZigBee硬件接口介绍STM32WARM处理器硬件接口8ZigBee软件规范与IAR集成开发环境常见的ZigBee软件规范及协议栈freakz协议栈和contiki操作系统msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议栈)EmberZNet协议栈(ST)BeeStack(Freescale)SimpliciTI协议栈(TI)Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI)TinyOS操作系统ZigBee软件规范与IAR集成开发环境常见的ZigBee9ZigBee软件规范与IAR集成开发环境TIZ-Stack协议栈软件层次物理层：负责将数据通过发射天线发送出去及从天线接收数据。介质访问控制层：提供点对点数据的确认及一些用于网络发现和形成的命令。网络层：主要是对网型网络的支持，如在全网范围内发送广播包，为单播数据包选择路由，确保数据包能够可靠的从一个节点发送到另一个节点，此外，网络层还具有安全特性，用户可以自行选择所需要的安全策略。应用程序支持子层:提供一些API函数供用户调用，此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。ZigBee软件规范与IAR集成开发环境TIZ-Stack10ZigBee软件规范与IAR集成开发环境STEmberZnet协议栈介绍ZigBee协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层技术规范，ZigBee联盟定义了网络层、安全层和应用层技术规范，ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API，供用户调用。ZigBee软件规范与IAR集成开发环境STEmberZn11ZigBee软件规范与IAR集成开发环境IAR集成开发环境的构建设备类型开发板预编译宏硬件代码空间工程编译工程下载ZigBee软件规范与IAR集成开发环境IAR集成开发环境的12Z-Stack协议栈开发OSAL系统初始化流程整个Z-Stack的主要工作流程，分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段。系统上电后，通过执行Zmain文件夹中ZMain.c的主函数开始系统初始化。当顺利完成上述初始化时，执行osal_start_system()函数开始运行OSAL系统。Z-Stack协议栈开发OSAL系统初始化流程13Z-Stack协议栈开发MT层任务的应用MT模块提供了协议栈与上位机软件交互的接口。它利用串口进行数据的物理传输，并定义了串口数据包的格式，同时定义了数据包的封装、解析与处理方法。协议栈在接收到上位机串口数据包后，将由串口回调函数调用MT层任务进行处理。Z-Stack协议栈开发MT层任务的应用14Z-Stack协议栈开发SampleApp无线自组网解析协议栈自带的ZigBee无线网络自启动(组网)样例，该实验实现的功能主要是协调器自启动(组网)，节点设备自动入网，之后两者建立无线通讯Z-Stack协议栈开发SampleApp无线自组网解析15Z-Stack协议栈开发添加用户自定义任务方法Z-Stack协议栈以OSAL贯穿始终，用户要添加自己的应用，需要以任务的方式实现。协议栈中已经将底层的任务模块(必要任务)完成，且留有应用层相应的接口。OSAL_XXX.c文件中定义了当前工程的任务与OSAL操作系统的函数接口。Z-Stack协议栈开发添加用户自定义任务方法16常见ZigBee软件应用Z-Tools工具集使用Z-Tool.exeZ-Network.exeZOAD.exe常见ZigBee软件应用Z-Tools工具集使用17常见ZigBee软件应用SmartRF04ProgramerFLASH编程软件闪存编程软件(修改IEEE地址)，确保网络中ZigBee节点的64bitsIEEE地址唯一。该软件的使用，要确保IAR工程为非调试下载模式。常见ZigBee软件应用SmartRF04Programer18ZigBee无线网络通讯实验CC2530硬件接口实验Z-Stack协议栈无线组网入门实验基于ZigBee无线网的温度采集传输实验上位机控制ZigBee网络通讯实验基于无线网络的数据透传实验ZigBeeSensor无线传感网演示实验物联网智能交通系统之智能车辆无线控制实训ZigBee无线网络通讯实验CC2530硬件接口实验19思考题ZigBee技术有哪些特点？简述常见的ZigBee软硬件方案？结合Z-Stack协议栈简述ZigBee无线网的自启动过程？ZigBee有哪几种设备类型？网络拓扑是怎么样的？ZigBee无线局域网如何与外网进行数据交换或通讯？如何基于ZigBee无线网搭建传感器数据采集系统？思考题ZigBee技术有哪些特点？20思考题物联网信息感知层技术如何分类？常见传感器的分类？什么是电阻式传感器的压阻效应与压阻系数？数字型温湿度传感器的补偿算法如何实现？智能传感器有哪些特点？思考题物联网信息感知层技术如何分类？21ZigBee无线通讯技术交通物联网应用技术ZigBee无线通讯技术交通物联网应用技术22教学目的介绍ZigBee无线组网技术的基础知识，包扩IAR集成开发环境，ZigBee硬件接口，协议栈移植与应用掌握基于ZigBee无线网络的数据传输与应用，会使用常见的ZigBee开发工具与软件。教学目的介绍ZigBee无线组网技术的基础知识，包扩IAR集23ZigBee技术简介ZigBee技术概念ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。ZigBee技术简介ZigBee技术概念24ZigBee技术简介ZigBee技术的工作频段与规范ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。ZigBee技术简介ZigBee技术的工作频段与规范25ZigBee技术简介ZigBee技术特点数据传输速率低：10KB/秒~250KB/秒，专注于低传输应用。功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。网络容量大：网络可容纳65,000个设备。时延短：通常时延都在15ms~30ms。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定。传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。ZigBee技术简介ZigBee技术特点26ZigBee硬件接口介绍常见的ZigBee硬件方案MCU和RF收发器分离的双芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的单芯片SOC方案如：TICC2430/CC2431、STSTM32W108、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCUZigBee硬件接口介绍常见的ZigBee硬件方案27ZigBee硬件接口介绍CC2530处理器硬件接口微控制器 高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核； 32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试； 8KBRAM外设接口 21个可配置通用IO引脚； 2个同步串口； 1个看门狗定时器； 5通道DMA传输； 1个IEEE802.15.4标准MAC定时器和3个通用定时器； 1个32MHz睡眠定时器； 1数字接收信号强度指示RSSI/LQI支持； 8通道12位AD模数转换器，可配分辨率，内置电压、温度传感器检测； 1个AES安全加密协处理器；ZigBee硬件接口介绍CC2530处理器硬件接口28ZigBee硬件接口介绍STM32WARM处理器硬件接口STM32W是一款系统级（SoC）芯片，整合最优异的IEEE802.15.4射频性能与32位ARMCortex-M3处理器。STM32W系列的软件包括支持最新的ZigBeePRO规范以及ZigBeeRF4CEIEEE802.15.4MAC的软件库以及6LoWPAN无线嵌入式互联网解决方案协议。处理器型号为32位STM32W108，丰富的存储资源：128K字节Flash，8K字节RAM。ZigBee硬件接口介绍STM32WARM处理器硬件接口29ZigBee软件规范与IAR集成开发环境常见的ZigBee软件规范及协议栈freakz协议栈和contiki操作系统msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议栈)EmberZNet协议栈(ST)BeeStack(Freescale)SimpliciTI协议栈(TI)Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI)TinyOS操作系统ZigBee软件规范与IAR集成开发环境常见的ZigBee30ZigBee软件规范与IAR集成开发环境TIZ-Stack协议栈软件层次物理层：负责将数据通过发射天线发送出去及从天线接收数据。介质访问控制层：提供点对点数据的确认及一些用于网络发现和形成的命令。网络层：主要是对网型网络的支持，如在全网范围内发送广播包，为单播数据包选择路由，确保数据包能够可靠的从一个节点发送到另一个节点，此外，网络层还具有安全特性，用户可以自行选择所需要的安全策略。应用程序支持子层:提供一些API函数供用户调用，此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。ZigBee软件规范与IAR集成开发环境TIZ-Stack31ZigBee软件规范与IAR集成开发环境STEmberZnet协议栈介绍ZigBee协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层技术规范，ZigBee联盟定义了网络层、安全层和应用层技术规范，ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API，供用户调用。ZigBee软件规范与IAR集成开发环境STEmberZn32ZigBee软件规范与IAR集成开发环境IAR集成开发环境的构建设备类型开发板预编译宏硬件代码空间工程编译工程下载ZigBee软件规范与IAR集成开发环境IAR集成开发环境的33Z-Stack协议栈开发OSAL系统初始化流程整个Z-Stack的主要工作流程，分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮循几个阶段。系统上电后，通过执行Zmain文件夹中ZMain.c的主函数开始系统初始化。当顺利完成上述初始化时，执行osal_start_system()函数开始运行OSAL系统。Z-Stack协议栈开发OSAL系统初始化流程34Z-Stack协议栈开发MT层任务的应用MT模块提供了协议栈与上位机软件交互的接口。它利用串口进行数据的物理传输，并定义了串口数据包的格式，同时定义了数据包的封装、解析与处理方法。协议栈在接收到上位机串口数据包后，将由串口回调函数调用MT层任务进行处理。Z-Stack协议栈开发MT层任务的应用35Z-Stack协议栈开发SampleApp无线自组网解析协议栈自带的ZigBee无线网络自启动(组网)样例，该实验实现的功能主要是协调器自启动(组网)，节点设备自动入网，之后两者建立无线通讯Z-Stack协议栈开发SampleApp无线自组网解析36Z-Stack协议栈开发添加用户自定义任务方法Z-Stack协议栈以OSAL贯穿始终，用户要添加自己的应用，需要以任务的方式实现。协议栈中已经将底层的任务模块(必要任务)完成，且留有应用层相