ZigBee星型组网实验

简单ZigBee星型组网实验【实验目的】 了解ZigBee星型网络通信原理及相关技术 【实验内容】 利用1个ZigBee协调器、多个传感控制节点组建一个简单的星型网络，并观察射频顶板上LED指示灯的变化，利用上位机软件，查看生成的网络拓扑。ZigBee相关根底知识1、ZigBee信道IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频〔DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS〕技术。ZigBee使用了3个频段，定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。2、ZigBee的PANIDPANID其全称是PersonalAreaNetworkID，网络的ID〔即网络标识符〕，是针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络，所有节点的PANID唯一，一个网络只有一个PANID，它是由协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要参加那个网络。PANID是一个32位标识，范围为0x0000～0xFFFF。3、ZigBee物理地址ZigBee设备有两种类型的地址：物理地址和网络地址。物理地址是一个64位IEEE地址，即MAC地址，通常也称为长地址。64位地址是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有它。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE来维护和分配。16位网络地址是当设备参加网络后分配的，通常也称为短地址。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据，当然不同的网络16位短地址可能相同的。ZigBee设备类型ZigBee设备类型有三种：协调器、路由器和终端节点。ZigBee协调器〔Coordinator〕它是整个网络的核心，是ZigBee网络的第一个开始的设备，它选择一个信道和网络标识符〔PANID〕，建立网络，并且对参加的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。在同一个ZigBee网络中，只允许一个协调器工作，当然它也是不可缺的设备。如REF_Ref301147577\h图1.11所示为ZigBee协调器。ZigBee路由器〔Router〕ZigBee路由节点，它的作用是提供路由信息。ZigBee终端节点〔End-Device〕ZigBee终端节点，它有没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。ZigBee网络的形成首先，由Zigbee协调器建立一个新的Zigbee网络。一开始，Zigbee协调器会在允许的通道内搜索其它的Zigbee协调器。并基于每个允许通道中所检测到的通道能量及网络号，选择唯一的16位PANID，建立自己的网络。一旦一个新网络被建立，Zigbee路由器与终端设备就可以参加到网络中了。网络形成后，可能会出现网络重叠及PANID冲突的现象。协调器可以初始化PANID冲突解决程序，改变一个协调器的PANID与信道，同时相应修改其所有的子设备。通常，Zigbee设备会将网络中其它节点信息存储在一个非易失性的存储空间-邻居表中。加电后，假设子节点曾参加过网络，那么该设备会执行孤儿通知程序来锁定先前参加的网络。接收到孤儿通知的设备检查它的邻居表，并确定设备是否是它的子节点，假设是，设备会通知子节点它在网络中的位置，否那么子节点将作为一个新设备来参加网络。而后，子节点将产生一个潜在双亲表，并尽量以适宜的深度参加到现存的网络中。通常，设备检测通道能量所花费的时间与每个通道可利用的网络可通过ScanDuration扫描持续参数来确定，一般设备要花费1分钟的时间来执行一个扫描请求，对于Zigbee路由器与终端设备来说，只需要执行一次扫描即可确定参加的网络。而协调器那么需要扫描两次，一次采样通道能量，另一次那么用于确定存在的网络。ZigBee的星形网络或簇树网络存在对单点故障具有高敏感度，不可靠性等缺陷，而ZigBee网状网技术采用的是网状网络架构，提供了多条路径，具有自动“Routing〞功能，是一种低功率的多级跳点系统．与传统的点到点网络相比，ZigBee网状网技术表现出明显的优势，为网络用户提供了更大的覆盖范围、更高的吞吐率和更好的故障恢复性，将有很大的应用前景．Zigbee技术特点zigbee技术是近期开展起来的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接．IEEE无线个人区域网(PAN)2E作组的IEEE802.15.4-技术标准是ZigBee技术的根底．IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层、媒体访问控制层(MAC)和链路层的标准，而Zigbee联盟负责其网络层、应用会聚层和高层应用标准(API)的制定，整个协议架构如图1所示ZigBee采用直接序列扩频(DSSS)技术，可工作在2．4GHz(全球流行)、工业科学医疗(ISM)频段868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)这三个频段上．并在这三个频段上分别具有250kbps、20一kbps和40kbps的最高数据传输速率，满足低速率传输数据的应用需求．它的传输距离一般介于10～100m之间，但也可以更大，实际的传输距离依据发射功率的大小和应用模式而定．而这个传输距离已经完全满足家庭和办公环境的应用需求．技术优势ZigBee最显著的技术特性是它的低功耗和低本钱．在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持Zigbee的1个节点工作6-24个月，甚至更长，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦．相比拟，蓝牙只能工作数周、WiFi只可工作数小时．另外，由于ZigBee数据传输速率低，模块集成度高，协议简单，所以大大降低了本钱，而且ZigBee是免协议专利费的．除此之外，ZigBee还具有时延短、平安性能高等特性：针对时延敏感的应用做了优化，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能．相比拟，蓝牙需要3～10s，WiFi需要3s；提供了三级平安模式，包括无平安设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AFs一128)的对称密码，以灵活确定其平安属性应用

基于Zigbee技术的传感器网络应用非常广泛，可以帮助人们更好地实现生活梦想。Zigbee技术应用在数字家庭中，可使人们随时了解家里的电子设备状态，并可用于对家中病人的监控，观察病人状态是否正常以便作出反响。Zigbee传感器网络用于楼宇自动化可降低运营本钱。如：酒店里遍布空调供暖(HVAC)设备，如果在每台空调设备上都加上一个ZigBee节点，就能对这些空调系统进行实时控制，节约能源消耗。此外，通过在上集成Zigbee芯片，可将作为Zigbee传感器网络的网关，实现对智能家庭的自动化控制、进行移动商务〔利用购物〕等诸多功能。据BobHeile介绍，目前意大利TIM移动公司已经推出了基于Zigbee技术的Z-sim卡，用于移动与电视机顶盒、计算机、家用电器之间的通信及停车场收费等