短距离无线通信系统及仿真课件 第二十二讲 ZigBee技术

ZigBee网络层设备是以应用对象的形式实现的每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层的服务与端点相接，并为实现数据传送、安全和绑定功能提供服务从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接。端点之间的通信是通过称之为串的数据结构实现的，这些串是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器。每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)串格式的数据。一共有两个特殊的端点，即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。网络管理——建立网络ZigBee协调点首先进行IEEE802.15.4中定义的能量探测扫描和主动扫描，选择一个未探测到网络的空闲信道或者探测到网络最少的信道。然后确定自己的16bit网络地址（PANID）、网络的PAN标识符、网络的拓扑参数等，其中PANID是网络在此信道中的唯一标识，因此PANID不应与此信道中探测到网络的PANID冲突。各项参数选定后，ZigBee协调点便可以接受其他节点加入该网络。ZigBee网络中的协调节点和路由节点都可以作为一个父节点允许设备接入网络。当一个未加入网络的节点想要加入当前网络时，便向网络中的节点发送关联请求。收到关联请求的节点如果有能力接受其他节点为子节点，就为此节点分配一个网络中唯一的16bit网络地址，并发出关联应答。ZigBee网络中每个设备拥有2个地址：一个是64位IEEE物理地址，另一个是在PAN里独有的16bit网络地址，也称短地址。网络地址是在节点加入网络时，由父节点分配的。网络地址根据地址分配算法得出。收到关联应答后，此节点成功加入网络，并可以接受其他节点的关联。节点加入网络后，将自己的PANID设为与ZigBee协调点相同。网络管理——设备接入网络如果网络中的节点想要离开网络，同样可以向父节点发送解除关联的请求。收到父节点的解除关联应答后，便可以成功离开网络。如果此节点有一个或多个子节点，在其离开网络之前，首先要解除所有子节点与自己的关联。网络管理——设备离开网络路由机制ZigBee网络层的主要功能是路由，路由算法是它的核心。ZigBee网络中采用了Cluster-Tree（简称树路由）与AODV（按需距离矢量路由）相结合的路由算法。Cluster-Tree算法Cluster-Tree算法把整个网络看作是以协调器为根的一棵树；整个网络是由协调器所建立的，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，而末端节点没有子节点，相当于树的叶子。该算法使用四个参数——深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址。路由只有两个方向——向子节点发送或者向父节点发送。Cluster-Tree算法的优缺点树状路由不需要路由表，节省存储资源。但缺点是很不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低，因此常常作为最后的路由方法，或者干脆不用。AODVjr算法该算法需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，可以用于较大规模的网络，而且使用灵活。ZigBee路由在ZigBee路由中，可以将节点分为2类：RN+和RN-。其中，RN+是指具有足够的存储空间和能力执行AODVjr路由协议的节点；RN-是指存储空间受限，不具有执行AODVjr路由协议的能力的节点，RN-收到一个分组后只能用Cluster-Tree算法处理。ZigBee中允许RN+节点使用AODVjr去发现一条最优路径RN+节点收到分组后，可以发起AODVjr中定义的路由发现过程，找到一条通往目的节点的最优路径。Cluster-Tree算法中，节点收到分组后可以立即将分组传送给下一跳节点。随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高，人们越来越关注健康问题，医疗检测设备的家庭化逐渐成为了趋势。从某种意义上讲，如何对老年人和残障人士进行全方位的服务是社会进步和文明的表现，是摆在当今人们面前的一个重要课题。ZigBee技术应用——老年人用物联网信息终端系统功能老年人用物联网终端系统是要寻找一种监测方法，这种方法要简单实用，且易于推广，监测方法主要采用主动的方式，即不像以往的监测等待老人触发来实现，而将监测设备佩戴于老人身体上，这样避免了在家中大规模布置传感器的缺点。身体状态是人体状态的基本信息，可体现出老人在各个时间段的行为动作，进而得到老人一天、一星期，一月乃至一年的身体状况。身体状态信息包括静态动作和动态动作，静态动作又可分躺下，站立，俯卧，行走等，动态动作又可分为慢跑，摔倒等动作。静态信息可反映老人在较短时间内的体态，综合动态信息可得到老人较长时间内的活动量；动态信息可反映老人是否有剧烈的运动，获取此类信息，对于出现紧急状态后及时报警有重要的意义。这里提出了通过老人的身体状态信息来监测老人的方法，通过获取老人身体的状态信息，比如“站立、躺、慢跑、摔倒”等动作的检测对老人进行实时监测。加速度传感器和陀螺仪可以获取某个方向上的动作信息，但陀螺仪价格较贵，不适合本应用，为此我们采用加速度传感器实现姿态的获取。这里的通信平台采用现在新兴的无线传感器网络技术，可实现在家庭环境下一对多，即可对多位老人监护的需求。为了能让用户方便使用，监测装置应安装有按键。同时装置可通过手机短信方式实现远距离报警给监护人，进一步拓宽了装置的适应性。老人也可直接按一下装置上的紧急按钮，直接发送紧急状态信息。若干个终端人体状态监测仪，佩戴于被监测人的腰部，用于检测和传送状态信息一个ZigBee协调器，用于初始化ZigBee无线网络和接收人体状态信息运行在PC机端的监控中心软件，显示被监测对象的人体状态信息在本系统中，ZigBee协调器建立一个网络后，终端人体状态监测仪开机后自动加入网络，并通过绑定的方式和协调器建立连接。终端人体状态监测仪通过监测仪上的菜单选择“发送数据”，开始进行身体状态的检测，并将状态