无线传感器网络技术与应用 课件 项目一 初识ZigBee无线传感器网络

无线传感器网络技术与应用：ZigBee版项目1初识ZigBee无线传感器网络课程标准PPT电子课件参考程序代码教学视频资料教材习题参考答案项目目标知识目标技能目标素质目标（1）理解ZigBee无线传感器网络的定义。（2）掌握ZigBee无线传感器网络的系统结构。（3）了解ZigBee无线传感器网络的特点及应用。（4）掌握ZigBee无线传感器网络协议栈的选型方法。（1）熟悉BasicRF项目的工作机制。（2）熟悉CC2530建立点对点无线通信的方法。通过导入案例“智慧中国、科学抗疫”，弘扬大国自信、树立科技兴国意识。

思维导图1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义典型技术标准有Wi-Fi(wirelessfidelity)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee、Z-Wave、2G/3G/4G/5G

和NB-loT、eMTC、LoRa、Sigfox

等低功耗广域网（lowpowerwideareanetwork,LPWAN)技术标准。不同的技术标准对应不同的应用领域。其中，Z-Wave、ZigBee、蓝牙和Wi-Fi

主要用于短距离无线通信，而2G/3G/4G/5G无线蜂窝通信和各种LPWAN

技术主要用于长距离无线通信。1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义目前广泛应用和推广的是ZigBee协议体系。它主要用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。德州仪器公司已经推出了完全兼容该协议的片上系统(systemonchip,SoC)CCxxxx,同时也开发了相关的软件协议栈Z-Stack。开发者可以利用上述硬件和软件资源，搭建自己的无线传感器网络。1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义这些信息通过无线方式被发送，并以多跳自组网方式传送到用户终端，从而实现物理世界、信息世界和现实世界的联通。与传统的互联网不同，ZigBee无线传感器网络实现了信息采集、信息处理和信息传输等功能，改变了人与物理世界交互的方式。1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义目前，国内外可提供ZigBee解决方案的公司有美国德州仪器(TexasInstruments，TI)、荷兰恩智浦半导体(NXPSemiconductors，NXP)、美国芯科实验室(SiliconLabs)等。1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.1Zigbee无线传感器网络定义表1.1列出了目前国内外几大ZigBee芯片厂商的代表产品信息及协议栈名称。1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.2Zigbee无线传感器网络的特点与其他无线通信协议相比，ZigBee无线传感器网络具有协议复杂度低、资源要求少等特点，具体如下：

1．低功耗

2．低成本

3．时延短

4．数据传输速率低

5．网络容量大

6．有效范围小

7．工作频段灵活

8．兼容性好

9．安全性高

10．协议套件紧凑而简单1.1Zigbee无线传感网络概述1.1.2Zigbee无线传感器网络的特点1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.1Zigbee无线传感器网络的组成

ZigBee无线传感器网络是由PC、网关、路由传感节点和传感器节点部分四部分组成。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.1Zigbee无线传感器网络的组成1．PCPC（数据管理中心）直接面向用户，负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、应用操作等。2．网关网关被用于连接传感器网络、互联网等外部网络，各方面能力相对于传感器节点来说较强，可实现多种通信协议之间的转换；网关还可用于发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。网关可以是一个具有增强功能的传感器节点（如协调器），有足够的能量和更多的内存与计算机资源；也可以是没有监测功能，仅带有无线通信接口的特殊网关设备。3．路由传感节点路由传感节点主要实现路径选择和数据转发功能。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.1Zigbee无线传感器网络的组成4．传感器节点传感器节点负责监测区域内数据的采集和处理。一般的传感器节点主要由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统五部分组成。（1）传感器节点的组成1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.1Zigbee无线传感器网络的组成

4．传感器节点（2）传感器节点的设计①睡眠状态：传感器模块关闭，通信模块关闭，能量消耗最低。②感知状态：传感器模块开启，通信模块关闭，节点感知事件发生。③侦听状态：传感器模块开启，通信模块空闲。④接收状态：传感器模块开启，通信模块接收。⑤发送状态：传感器模块开启，通信模块发送。⑥长期睡眠状态：表示该节点能量处于阀值，不响应任何事件。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.1Zigbee无线传感器网络的组成4．传感器节点（3）传感器节点设计时约束条件①电源能量有限。②通信能力有限。③计算和存储能力有限。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.2Zigbee无线传感器网络的系统结构

ZigBee无线传感器网络根据不同的情况可以由一个网关、一个或多个路由器、一个或多个传感器节点组成。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.2Zigbee无线传感器网络的系统结构系统大小只受PC软件观测数量、路由深度和网络最大负载量限制。ZigBee无线传感器网络在没有进行网络拓扑修改之前支持5级路由、31101个网络节点。1.2Zigbee无线传感网络构架1.2.3Zigbee无线传感器网络的工作流程ZigBee无线传感器网络基于ZigBee协议栈的无线网络，在网络设备安装、架设过程中自动完成。完成网络的架设后用户便可以由PC、ARM终端，平板计算机或者手持设备发出命令读取网络中任何设备上挂接的传感器的数据，并测试其电压。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.1概述ZigBee以IEEE802.15.4协议为基础，使用全球免费频段进行通信。传输速率分别为250kbit/s、20kbbit/s和40kbit/s。IEEE802.15.4工作组主要负责制定PHY层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.2Zigbee无线传感网络通信信道分析我国的无线电管理机构是中国无线电管理委员会，其主要负责无线电频率的划分、分配与指配，卫星轨道位置的协调和管理，无线电监测、检测、干扰的查处，协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.2Zigbee无线传感网络通信信道分析1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.2Zigbee无线传感网络通信信道分析一个Zigbee网络可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.2Zigbee无线传感网络通信信道分析ZigBee技术的抗干扰特性主要是抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙和Z-Wave共存。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.2Zigbee无线传感网络通信信道分析ZigBee无线传感器网络的协调器首先要扫描所有的信道，然后确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。当网络初始化或响应中断时，ZigBee设备会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道选择。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.3Zigbee无线传感网络的网络标识符ZigBee协议使用一个16位的个域网络标识符（PersonalAreaNetworkID，PANID）来标识一个网络，范围从0x0000～0xFFFF。在使用ZStack-CC2530-2.5.1a版的协议中，可通过Tools目录下f8wConfig.cfg文件里的参数-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置PANID。若-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID不为0xFFFF时，设备建立或加入网络的PANID由-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定；若-

DZDAPP_CONFIG_PAN_ID为0xFFFF，则设备就将建立或加入一个“最优”的网络。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.3Zigbee无线传感网络的网络标识符PANID的出现一般是在确定信道以后，主要区分不同的ZigBee网络。一个传感器网络中所有节点的PANID唯一，即一个网络只有一个PANID。PANID是由PAN协调器生成的，为可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入哪个网络。f8wConfg.cfg文件中-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID可以设置为0x0000～0x3FFF之间的一个值。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.4Zigbee无线传感网络的地址在ZigBee无线传感器网络中，节点有两个地址。一个是物理（IEEE或扩展）地址，每个CC2530单片机的IEEE在出厂时就已经定义好了（当然，在用户学习阶段可能通过编程软件SmartRFFlashProgrammer修改设备的IEEE地址）。另一个是网络地址，是在设备加入网络时，按照一定的算法计算得到，并分配给加入网络的设备的地址。网络地址在某个网络中是唯一的，16位的网络地址主要有两个功能：在网络中标识不同的设备；在网络数据传输时指定目的地址。1.3Zigbee无线传感网络的通信协议架构1.3.5Zigbee无线传感网络的设备类型Zigbee规范定义了三种类型的设备。①Zigbee协调器是启动和配置网络和一种设备。一个Zigbee网络只允许一个Zigbee协调器。②Zigbee路由器是支持关联的设备，Zigbee网状或树状网络可以有多个Zigbee路由器；Zigbee星状网络不支持Zigbee路由器。③Zigbee终端设备可以执行相关功能，并通过Zigbee无线传感器网络与其他设备通信。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构ZigBee支持包含有主从设备的星型、树型和网状等拓扑结构。虽然每一个ZigBee设备都有一个唯一的64位的IEEE地址，并可以用这个地址在PAN中进行通信，但在从设备和网络主协调器建立连接后会为它分配一个16位的短地址，此后就可以用这个短地址在PAN内进行通信。64位的物理地址是唯一的绝对地址，相当于计算机的MAC地址；而16位的短地址是相对地址，相当于IP地址。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构1.4.1星状拓扑星状拓扑是最简单的一种拓扑形式，包含一个协调器和一系列的终端节点。每一个终端节点只能和协调器进行通信。如果需要在两个终端节点之间进行通信则必须通过协调器进行信息的转发。实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee的网络层协议。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构1.4.2树状拓扑树状拓扑包括一个协调器以及一系列的路由器和终端节点。协调器连接一系列的路由器和终端节点，作为其子节点的路由器也可以连接一系列的路由器和终端节点，并可以重复多个层级。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构1.4.2树状拓扑需要注意以下几点。①协调器和路由器可以包含自己的子节点。②终端节点不能有自己的子节点。③有同一个父节点的节点称为兄弟节点。④有同一个祖父节点的节点称为堂兄弟节点。树状拓扑中的通信规则如下。①每一个节点都只能与其父节点和子节点进行通信。②如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点，然后再向下传递到目标节点。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构1.4.3网状拓扑网状拓扑包含一个协调器和一系列的路由器和终端节点。这种网络拓扑形式和树状拓扑相同，可参考上面所提到的树型网拓扑。但是，网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接通信。这种路由机制使得信息的通信变得更有效率，而且意味着一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动地沿着其他的路由路径进行传输。1.4Zigbee无线传感网络的拓扑结构1.4.3网状拓扑通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化路径。需要注意的是，以上所提到的特性都由网络层来实现，应用层不需要进行任何参与。网状拓扑结构的网络具有强大的功能，可以通过“多跳”的方式来通信。网络拓扑结构还可以组成极为复杂的网络，这种网络具备自组织和自愈功能。采用星型和树型网络拓扑结构适合点对点、距离相对较近的应用，而采用网状拓扑的网络主要适用于广域网，它是网络协议中最复杂且成本最高的一种网络结构。1.5Zigbee无线传感网络的应用1.5.1环境监测环境监测是ZigBee无线传感器网络最基本的应用之一。由于人力资源有限，无法时刻关注环境变化。在这种情况下，可以将大量廉价的传感器节点部署于感兴趣的环境中，实时收集相关数据信息感知环境变化。常见的环境监测场景有水污染监测、空气质量监测、精细农业操作与动物生活习性监测等。由于环境监测系统对信息传输的延迟要求不高，设计系统面临的主要问题是，如何在保证应用需求的情况下调度节点最大化网络寿命。1.5Zigbee无线传感网络的应用1.5.2智能家居通过在家电中嵌入传感器节点，可以将屋内所有的设备联系在一起组成传感器网络，从而为人们提供更加舒适方便的智能家居环境。如何实现多设备互连是智能家居应用中面临的主要设计问题。1.5Zigbee无线传感网络的应用1.5.3医疗护理将传感器节点安装在老年人或者病人的身体上，实时汇报他们的身体状态信息，医生便可以远程了解病人的实时状况，并采取相应的医疗措施。ZigBee无线传感器网络将有效地解决医疗资源匮乏的问题，降低医疗成本，在老龄化日益严重的今天发挥越来越重要的作用。设计适合采集身体状况数据的节点与建立有效的医疗系统是医疗护理应用面临的主要问题。1.5Zigbee无线传感网络的应用1.5.4目标跟踪与定位在传感器网络中，节点的感知范围有限，只有目标附近的节点能够感知目标，远离目标的节点无法提供有效的信息。因此，通过唤醒目标附近的节点，休眠远离目标的节点可以节省节点能耗，延长网络寿命。同时，由于节点资源有限，单个节点无法准确估计目标位置，从而要求多节点协作共同跟踪目标。如何能有效地调度节点跟踪目标的同时实时汇报目标位置到基站，是目标跟踪与定位应用面临的主要问题。1.6软件资源1.6.1Zigbee协议栈选型常见的ZigBee协议栈分非开源的协议栈、半开源的协议栈和开源的协议栈三种。1．非开源的协议栈常见的非开源的协议栈的解决方案包括Freescale解决方案和Microchip解决方案。Freescale解决方案中最简单的ZigBee解决方案就是SMAC协议，是面向简单的点对点应用，不涉及网络的概念。Microchip解决方案提供的ZigBee协议栈为ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE，均是完整的协议栈，但收费较高。1.6软件资源1.6.1Zigbee协议栈选型2．半开源的协议栈TI公司开发的是一个半开源的ZigBee协议栈——Z-Stack。它支持ZigBee和ZigBeePRO栈，并向后兼容ZigBee2006和ZigBee2004。Z-Stack内嵌了OSAL操作系统，使用标准的C语言代码和IAR开发平台，比较容易学习，是一款适合工业级应用的免费协议栈。1.6软件资源1.6.1Zigbee协议栈选型1.6软件资源1.6.1Zigbee协议栈选型3．开源的协议栈Freakz是一个彻底开源的ZigBee协议栈，配合Contiki操作系统，Contiki的代码全部由C语言编写，对于初学者来说比较容易上手。Freakz适合用于学习，对于工业应用，还是Z-Stack比较适用。根据应用需求，本书选用TI公司提供的Z-Stack协议栈和IAR平台作为软件工具进行二次开发。1.6软件资源1.6.1Zigbee协议栈选型开源即单击该函数的右键，选择“Gotodefinitionof函数名称”，能够跳转到源函数定义，查看源程序。1.6软件资源1.6.2IAR集成环境的安装1．ZigBee开发环境简介本书选用IAREmbeddedWorkbench作为ZigBee的开发环境。目前IAREmbeddedWorkbench已经支持35种以上的8位/16位/32位的微处理器结构。1.6软件资源1.6.2IAR集成环境的安装2．ZigBee开发环境的安装IAREmbeddedWorkbench的安装如同Windows操作系统其他软件一样，单击EW8051-EV-Web-8101.exe进行安装。1.6软件资源1.6.3仿真器驱动程序的安装1．自动安装仿真器的驱动程序成功安装IAR软件后，由于IAR的安装软件中含有仿真器的驱动，所以连接仿真器与PC后可以自动安装仿真器的驱动程序。1.6软件资源1.6.3仿真器驱动程序的安装2．手动安装仿真器的驱动程序如果向导未能自动搜索到驱动文件，驱动程序可以在IAR的安装文件中找到。选择“浏览我的计算机以查找驱动程序软件(R)”选项。1.7软件应用1.7.1IAR的使用1．新建一个工程打开IAREmbeddedWorkbench软件，选择“Project”→“CreateNewProject”命令。1.7软件应用1.7.1IAR的使用2．参数设置选择“Project”→“Options”选项。1.7软件应用1.7.1IAR的使用2．参数设置（1）GeneralOptions设置

将“GeneralOptions”→“Target”选项中的“Device”选择为CC2530F256。1.7软件应用1.7.1IAR的使用2．参数设置（2）Debugger设置。在“Debugger”菜单的“Setup”选项卡中，“Driver”选项选择“TexasInstruments”。1.7软件应用1.7.1IAR的使用3．第一个项目新建一个C文件，选择New菜单中的“File”选项并保存。1.7软件应用1.7.1IAR的使用3．第一个项目1.7软件应用1.7.1IAR的使用3．第一个项目一个模块中包含两个文件，一个是h文件，另一个是c文件。h文件是一个接口描述文件，其文件内部一般不包含任何实质性的函数代码，主要对外提供接口函数或接口变量。h文件的构成原则是：外界不该知道的信息就不应该出现在h文件里，而供外界调用的模块内部接口函数或接口变量所必需的信息就一定要出现在h文件里。c文件的主要功能是对h文件中声明的外部函数进行具体实现，对具体实现方式没有特殊规定，只要能实现其函数功能即可。1.7软件应用1.7.1IAR的使用4．IAR中标记行号和字体IAR中可以设置字体大小、关键字的颜色及行号显示。选择“tools”菜单中的“Options”选项进入设置。在“tools”菜单的“Options”选项中，“Editor”勾选“Showlinenumber”便可以显示行号。1.7软件应用1.7.1IAR的使用4．IAR中标记行号和字体在“tools”菜单“Options”选项的“EditorColorsandFonts”中便可以设置字体，1.7软件应用1.7.2协议栈的安装从TI官方网站上下载ZStack-CC2530-2.5.1a.exe，进行协议栈的安装。协议栈GenericApp实现设备互相绑定传送信息（helloworld）；SampleApp主要实现设备发送和接收LED灯信息；SimpleApp主要实现温度和灯开关，和智能家居结合使用的haveProfile。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装打开SampleApp工程文件，其文件布局中有许多文件夹，如App、HAL、MAC等，这些文件夹对应着ZigBee协议中不同的层。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装1.App文件夹使用ZigBee协议栈进行应用程序的开发时一般只需要修改App文件夹下的文件。用户编写的应用程序源代码一般放在APP文件夹下。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装2.HAL文件夹Commmon目录下的文件是公用文件，基本上与硬件无关，其中hal_assert.c是测试文件，用于调试；hal_drivers.c是驱动文件，抽象出与硬件无关的驱动函数，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。Includ目录下主要包含各个硬件模块的头文件。Target目录下的文件是跟硬件相关的，有CC2530DB平台和CC2530EB两个平台。DB和EB表示TI公司开发板的型号。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装3.MAC文件夹HighLevel和LowLevel两个目录分别表示MAC层的高层和底层。Include目录下包含MAC层的参数配置文件及基MAC的LIB库函数接口文件，这里MAC层的协议是不开源的，以库的形式给出。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装4.MT文件夹MT文件夹下的文件主要用于调试，即过串口调试各层，与各层进行直接交互。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装5.NWK文件夹NWK文件夹包含网络层参数文件、网络层库的函数接口文件，以及APS层库的函数接口。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装6.OSAL文件夹OSAL指操作系统抽象层，主要实现Z-Stack协议栈的操作系统对硬件的管理和封装。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装7.Profile文件夹Profile文件夹下包含AF（应用框架）层处理函数接口文件，如开发常用到的数据的收、发及终端管理等函数。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装8.Security文件夹Security文件夹下包含安全层处理函数接口文件。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装9.Services文件夹Services文件包括地址模式的定义及地址处理函数。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装10.Tools文件夹Tools文件包括空间划分及Z-Stack相关配置信息。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装10.Tools文件夹注意：灰色表示在当前工作空间（workspace）中不参加编译。其设置方法是选择相应的文件，然后单击鼠标右键，选择“Options”出现的界面，勾选“Excludeformbuild”。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装11.ZDO文件夹ZDO（ZigBee设备对象）是一种公共的功能集，方便用户用自定义的对象调用APS层和NWK层的服务。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装12.ZMac文件夹ZMac文件夹提供了Z-Stack中关于MAC操作的接口函数；zmac.c是Z-StackMAC层导出层接口文件，zmac_cb.c是ZMAC需要调用的网络层函数。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装13.ZMain文件夹ZMain文件夹下，ZMain.c主要包含了整个项目的入口函数main()，在OnBoard.c中包含对硬件开发平台各类外设进行控制的接口函数。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装14.Output文件夹Output文件是IDE自动生成的。协议栈提供EndDeviceEB（终端设备）、CoordinatorEB（协调器设备）和RouterEB（路由设备）等设备工作空间。1.7软件应用1.7.2协议栈的安装协议栈布局窗口中出现“*”只表示文件没有保存，文件保存后就不会出现“*”标记。1.7软件应用1.7.3

协议栈中文件的移除和增加ZigBee协议栈实现了ZigBee协议，该协议栈为用户提供了API函数接口，在开发过程中用户不必去关心ZigBee协议是怎么实现的，只需关心程序的数据从哪里来然后到哪里去。1.7软件应用1.7.4

协议栈的基本操作1.查看函数或者宏定义Z-Stack是TI公司提供的半开放的ZigBee协议栈，对于开发使用者来说一般只要关心APP文件夹下的文件即可。用户自己编写的驱动等文件也是要放到这个文件夹下的。关于App文件夹下的