模块2-21Zigbee无线传感器网络-7月17日上午-zibo.ppt

1、Zigbee无线传感器网络,淄博职业学院 罗汉江 L 2013.7.17上午,主要内容,1. 无线传感器网络概述 2. IEEE802.15.4 /Zigbee网络通信标准 3. Zigbee网络构成、特点及应用,1. 无线传感器网络概述,1.1 无线传感器网络基本概念 1.2 无线传感器网络体系结构 1.3 主要硬件节点 1.4 传感器节点结构 1.5 协议栈 1.6 无线传感器网络的特点 1.7 应用示例,1.1 无线传感网（wireless sensor networks）基本概念,无线传感器网络是由部署在监测区域内部或附近的大量廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织

2、构成的“智能”测控网络。 最早来自美国军方的研究，自动探测报告越南战场敌方汽车的出现,与无线传感器网络相关的几个容易混淆的概念,传感器 一种可以将物理、化学等状态转换为可以理解的电信号的器件 小的几毛钱，大的几十万 传感器网络 由传感器组成的测量控制网络（有线、无线） 无线传感器网络 近几十年发展起来的新的基于传感器的无线网络 传感网 一般指无线的传感器的网络，与RFID并列为物联网的两大技术应用,与无线传感器网络相关的几个容易混淆的概念,无线网络 使用无线通信协议组成的网络，如wifi网络、蓝牙网络、3G网络等 无线传感器网络 使用无线通信协议组网的基于传感器感知与控制应用的无线网络 Zig

3、bee网络 基于802.15.4无线通信协议的低功耗、低速率的一种工业协议标准网络 802.15.4协议 一种低功耗、低速率的无线个域区域网（Wireless personal area networks）制定的无线通信标准协议,1.2 无线传感器网络体系结构,无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。,1.3 主要硬件节点,传感器节点 通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能。 汇聚节点 处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布

4、管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。 管理节点 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。,具有感知能力计算能力通信能力 体积小 能耗小,1.4 传感器节点结构,传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成。,各部分功能,传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块：提供能量,通信能力有限 节点带宽窄，而且经常变化 节点通信覆盖范围只有几十到几百米，而且经常变化,传感器节点的限制,多源、多跳是主要通信方式 多个传感器节点向一个目标传送信息 一次

5、多源信息传输需要多条由多个传感器节点组成的路径,传感器节点的限制,节点移动、断接频繁 在移动网络中，节点移动频繁 节点间通信的断接频繁，导致通信失败 经常受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响， 因此传感器可能会长时间脱离网络，离线工作,传感器节点的限制,电源能量有限 传感器的电源能量极其有限 由于电源能量的原因经常失效或废弃 电源能量约束是传感器网络应用的障碍 现有电源部件不能满足传感器网络的需要 传感器传输信息比执行计算更消耗电能 传感器传输1位信息需要的电能足以执行3000条计算指令,传感器节点的限制,计算能力有限 传感器网络中传感器通常都具有嵌入式处理器和存储器

6、，具有计算能力 但是，处理器性能、存储器容量和能源都很有限，导致传感器的计算能力十分有限,传感器节点的限制,传感器数量大、分布范围广 传感器网络中传感器节点密集，数量巨大，可能达到几百、几千万，甚至更多 传感器网络可以分布在很大区域，也可以分布在险恶环境下 传感器数量大、分布广的特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,传感器节点的限制,感知数据流无限 传感器网络每个传感器都产生无限的流式数据，并具有实时性 每个传感器仅具有有限的存储器和计算资源，难以处理巨大的实时数据流,传感器节点的限制,以数据为中心 传感器网络不是通常的网络 用户感兴趣的是数据而不是网络和传感器硬件 用户很少询问“A节点到B

7、节点的连接是如何实现的？” 用户经常询问“网络覆盖区域中那些地区出现毒气？” 传感器网络不是以地址为中心的 用户不会询问“地址为27的传感器的温度是多少？” 用户感兴趣是“某个地理位置的温度是多少？” 数据传输以聚集方式进行，而不是地址到地址的路由,传感器节点的限制,传感器网络是以数据为中心的网络 把传感器视为感知数据流或感知数据源 把传感器网络视为感知数据空间或数据库 把数据管理和处理作为网络的应用目标,传感器节点的限制,需要多种多样的感知器 物理传感器 生物传感器 化学传感器 ,传感器节点的限制,1.5 无线传感器网络协议栈 早期的协议栈,应用层,传输层,网络层,数据链路层,物理层,能量管

8、理平台,移动管理平台,任务管理平台,信号调制、无线收发,数据成帧、帧检测、媒体访问、差错控制,路由生成、路由选择,数据流的传输控制,一系列基于监测任务的应用层软件,管理传感器节点如何使用能源,检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由,平衡调度监测任务, 改进的协议栈,传输控制,路 由,数据链路,上 层 应 用,拓扑,QoS,能量 /安全 /移动,网络管理,物 理,时间同步,定位,依赖于数据传输通道，同时为网络协议各层提供信息支持,QoS（Quality of Service）服务质量-队列管理、优先级机制或带宽预留等机制,1.6 无线传感器网络的特点,1、 大规模网络 分布在很大的区域

9、 节点部署很密集 2、 自组织性网络 传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑 控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多条无线网络系统。 3、 动态性网络 适应如下变化： 1）传感器节点出现故障或失效。 2）无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。 3）传感器、感知对象、观察者这三要素可能具有移动性。 4）新节点的加入。,4、 可靠的网络 传感器网络的软硬件具有鲁棒性和容错性。 5、 以数据为中心的网络 传感器网络是任务型的网络。用户直接将所关心的事件通告给网络，网络在获得指定事件的信息后回报给用户。 以数据本身作为查询或传输线索。,无线传感器网络的应用,传感器网络的应用前景

10、非常广阔，能够广泛应用于 地震监测、生物生活习性监测、军事、健康护理、精细农业、小区安全监控、森林火灾监控、目标跟踪和检测、深海和地下矿井监控以及智能家居、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理等领域。 随着传感器网络的深入研究和广泛应用，它将逐渐深入到人类生活的各个领域。,无线传感器网络的应用,1.7 应用示例：海洋监测网络示例（TinyOS协议）,无线组网示意图,交流、讨论,2. IEEE802.15.4 /Zigbee网络通信标准,2.1 IEEE802.15.4协议概述 2.2 IEEE802.15.4 标准及特点 2.3 IEEE 802.15.4标准架构 2.4 IEEE 802.

11、15.4标准,2.1 IEEE802.15.4协议概述,IEEE802.15.4是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会 ） IEEE 802.15任务组针对低速率无线个域区域网（Wireless personal area networks）制定的无线通信标准（仅仅制定了物理层规范和MAC层规范等。 2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层（MAC）与物理层（PHY）在低速无线个人局域网络（Low-Rate Wireless Personal and Network

12、：LR-WPAN）的规范，并在2003年5月通过IEEE 802.15.4标准。,IEEE 802.15任务组,目标：为在个人操作空间（POS）内相互连通的无线设备提供通信标准。 IEEE 802.15任务组 TG1：制定IEEE 802.15.1标准（蓝牙无线个人区域网络标准）；中等速率、近距离的WPAN网络标准。 TG2：制定IEEE 802.15.2标准，研究IEEE 802.15.1与IEEE 802.11（无线局域网标准）的共存问题 TG3：制定IEEE 802.15.3标准，研究高传输速率WPAN标准。 TG4：制定IEEE 802.15.4标准，研究低速WPAN标准。,2.2 I

13、EEE802.15.4 标准及特点,IEEE 802.15.4标准的主要特征： 实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率； 支持星型和点到点两种拓扑结构； 在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址； 采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制； 采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoidance，CSMA-CA）的信道访问机制；,支持ACK机制以保证可靠传输；

14、 低功耗机制； 信道能量检测（Energy Detection，ED）； 链路质量指示（Link quality indication，LQI）； 工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道； 数据安全策略。,2.3 IEEE 802.15.4标准架构,IEEE 802.15.4 协议栈架构,基于开放系统互连模型（OSI） 每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务 物理层由射频收发器和底层的控制模块组成 数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口 特定服务的聚合子层（SSCS）为IEEE

15、802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务 LLC为应用层提供链路层服务,IEEE 802.15.4 MAC,Upper Layers,IEEE 802.15.4 SSCS,IEEE 802.2,LLC, Type I,IEEE 802.15.4,2400 MHz,PHY,IEEE 802.15.4,868/915 MHz,PHY,802.15.4 Architecture,2.4 IEEE 802.15.4标准,物理层功能实现 数据的发送与接收 物理信道的能量检测(ED：Energy Detection) 射频收发器的激活与关闭 空闲

16、信道评估(CCA：clear channel assessment) 链路质量指示(LQI：link quality indication) 物理层属性参数的获取与设置,信道分配和调制方式,物理帧格式,MAC子层功能,IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能 采用CSMA-CA机制来访问物理信道； 协调器对网络的建立与维护； 支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）； 协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器同步； 间接传输的实现(Transaction handling)； 在两个MAC实体之间提供数据可靠传输； 支持安全机制；,MA

17、C帧结构和PHY帧结构,数据发送方式,Three types of data transfer Coordinator to Device Device to Coordinator Between peer devices,数据传输方式,Beacon Enabled Mode,Non-Beacon Enabled Mode,Coordinator to Device,Device to Coordinator,IEEE 802.15.4标准,IEEE802.15.4 LR-WPAN规定，WSN网络拓扑结构可分为两种：星形和点对点拓扑（树形、Mesh）,交流、讨论,3. Zigbee网络构成、

18、特点及应用,3.1 什么是Zigbee网络？ 3.2 传感器网络的短距离无线通信方式 3.3 Zigbee 版本 3.4 Zigbee 芯片 3.5 Zigbee网络构成 3.6 Zigbee特点 3.7 Zigbee各层协议栈 3.8 Zigbee应用,3.1 什么是Zigee网络？,Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 其特点是近距离

19、、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。,Zigbee的起源,Zigbee, 在中国被译为“紫蜂”,它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术. 用于传感控制应用(sensor and control)。 此想法在IEEE 802.15工作组中提出,于是成立了TG4工作组,并制定规范IEEE 802.1。 2002年,zigbee Alliance成立，由 Honeywell、Invensys、Mitsubishi、Motorola与Philips共同成立的，Z

20、igBee联盟负责制订网络层、安全管理、应用界面规范。 2004年,zigbee V1.0诞生.它是zigbee的第一个规范，但由于推出仓促,存在一些错误。 2006年,推出zigbee 2006,比较完善。 2007年底，zigbee PRO推出。 zigbee的底层技术基于 IEEE 802.15.4。 物理层和MAC层直接引用了IEEE 802.15.4。,2020/7/16,50,联盟成员,and many more.,3.2 传感器网络的短距离无线通信方式,传感器网络的短距离无线通信方式,WWAN,WMAN,WLAN,WPAN,传 输 范 围,0.01,10,1,0. 1,100,1

21、000,数据传输率（Mbps）,Wifi、蓝牙、Zigbee比较（都使用2.4G）,Zigbee与IEEE802.15.4关系,ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE 802.15.4 仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。 ZigBee是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer)、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer)、以及各种应用产品的资料（Profile）;而由国际电子电机工程协会（

22、IEEE）所定制的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHY Layer)及媒体存取层（Media Access Control Layer;MAC Layer)。,3.3 Zigbee 版本及支持的芯片,多个版本,3.4 Zigbee 芯片,ARM推出全球最节能处理器32位Cortex-M0+ （CC2430的MUC8051是8位） ：ARM于14日宣布，推出全球能源效率最高的微处理器Cortex-M0+，锁定家用电器、医疗监测、电表、照明电力与马达控制装置等各种广泛应用的智慧感测器与智慧控制系统，提供超低耗电、低成本的微控制器（MCU） TI公司最近推出CC2538-基于ARM Cor

23、tex-M3 MCU的SOC片上系统，支持采用 IEEE 802.15.4 及 6LoWPAN IPv6 网络的 IP 标准化开发,3.5 ZIGBEE网络构成,在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备) 协调器（Coordinator） 路由器（Router） 终端节点（End-Device） ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成,Zigbee协调器节点,ZigBee协调点 ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN协调点，在无

24、线传感器网络中叫做汇聚节点。 ZigBee协调点必须是全功能设备FFD（ Full-FunctionDevice ）。 一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点，它往往比网络中其它节点的功能更强大，是整个网络的主控节点。 它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能。 ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种,一般由交流电源持续供电。,ZigBee路由节点,ZigBee路由节点(ZigBeeRouter,ZR)也必须是FFD。 ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的

25、覆盖范围等。,ZigBee终端节点,ZigBee终端节点(ZigBeeEndDevice，ZE)可以是全功能节点FFD或者精简功能设备RFD（ Reduced-FunctionDevice,RFD ），它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络，ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。,Zigbee网络拓扑,ZigBee 网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如下图所示，分别依次是星状网络，树（簇）状网络和网状网络。,3.6 ZIGBEE网络特点,低功耗。在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作624个月,甚至更长。这

26、是Zigbee的突出优势。相比较, 蓝牙能工作数周、Wi-Fi可工作数小时。 现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的Zigbee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的Zigbee提供电源。 低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。, 低速率。Zigbee工作在20250 kbps的较低速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915

27、MHz)和20kbps(868 MHz) 的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的应用需求。 近距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到13 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。 短时延。Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要310 s、WiFi 需要3 s。,高容量。Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理

28、,最多可组成65000 个节点的大网。 高安全。Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、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(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。 免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。,Zigbee的休眠,通常zigbee节点所承载的应用数据速率都比较低,在不需要通信时,节点可以进入很低功耗的休眠状态,此时能耗可能只有正常工作状态下的千分之一.由于一般情况下,休眠时间占总运行时间的大部分,有时正常工作的时间还不到百分之

29、一,因此达到很高的节能效果.,3.7 Zigbee各层协议栈,物理层,遵循IEEE802.15.4协议。 物理层是协议的最底层，承付着和外界直接作用的任务。 主要目的：控制RF收发器工作。 调制方式：扩频通信 信号传输距离：50m（室内），150m（室外）。,物理层,14.11.06,72,媒体接入控制层（MAC）,遵循IEEE802.15.4协议 负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束 确认模式的数据传送和接收 可选时隙，实现低延迟传输 支持各种网络拓扑结构 网络中每个设备为16位地址寻址,媒体接入控制层（MAC）,周期性的数据通信 由用户决定周期的长短 如：烟雾传感器 间歇性的数据通信 由用户或外界事件引发决定间歇长短 如：电灯开关 重复而快速反应的数据通信 指定固定的时隙进行通信 如：鼠标、键盘,网络及安全层,建立新的网络 处理节点的进入和离开网络 根据网络类型设置节点的协议堆栈 使网络协调器对节点分配地址 保证节点之间的同步 提供网络的路由 保证数据的完整性 使用可选的AES-128对通信加密,应用层,应用支持层维持器件的功能属性 应用支持层发现该器件工作空间