(完整版)第1章-WSN與Zigbee概述

Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用

哈爾濱商業(yè)大學(xué)管理學(xué)院考核方式平時(shí)成績(jī)（20分）期中成績(jī)（20分）期末成績(jī)（卷面*0.6）參考書Zigbee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程——基于CC2530的無線傳感網(wǎng)技術(shù)，姜仲等，清華大學(xué)無線龍，Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)原理，冶金工業(yè)金純，Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析，國(guó)防工業(yè)課程說明第1章WSN與Zigbee概述本講內(nèi)容理解Zigbee與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系掌握Zigbee技術(shù)概念理解Zigbee技術(shù)特點(diǎn)了解常用Zigbee芯片的特點(diǎn)了解幾種常見的Zigbee協(xié)議棧掌握Zigbee軟硬件開發(fā)平臺(tái)的建立和安裝物聯(lián)網(wǎng)（IOT）-感知網(wǎng)絡(luò)早期物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2011年，工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)延伸，它利用感知技術(shù)與智能裝置對(duì)物理世界進(jìn)行感知識(shí)別，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸互聯(lián)，進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，實(shí)現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達(dá)到對(duì)物理世界實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策的目的?！?/p>

1.WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)的定義是：大規(guī)模，無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎(chǔ)設(shè)施支持的網(wǎng)絡(luò)．其中的節(jié)點(diǎn)是同構(gòu)的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有盡可能長(zhǎng)的工作時(shí)間。在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用，為明確起見，一般稱無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN．WirelessSensorNetwork)。WSN通信體系結(jié)構(gòu)WSN傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)WSN發(fā)展歷程第一階段：20世紀(jì)70年代越戰(zhàn)時(shí)期的傳感器網(wǎng)絡(luò)胡志明小道的熱帶樹第二階段：20世紀(jì)80年代至90年代美軍方的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)第三階段：21世紀(jì)至今，自組織、低功耗節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)WSN的特點(diǎn)（1）硬件資源有限（2）電源容量有限（3）通信能量有限（4）計(jì)算能力有限（5）節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集（6）自組織，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)（7）以數(shù)據(jù)為中心（8）多跳路由（9）節(jié)點(diǎn)出故障的可能性較大WSN關(guān)鍵技術(shù)（1）時(shí)間同步技術(shù)（定期同步）（2）定位技術(shù)（GPS+多點(diǎn)協(xié)作定位算法）（3）分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合（4）安全技術(shù)（5）精細(xì)控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術(shù)（Tinyos,vxworks,μCLinux,μCOS）（6）能量工程(獲取、存儲(chǔ))WSN應(yīng)用智能交通智能農(nóng)業(yè)醫(yī)療健康工業(yè)控制軍事應(yīng)用災(zāi)難救援與臨時(shí)場(chǎng)合家庭應(yīng)用其他（空間探索、物流、環(huán)境監(jiān)測(cè)、測(cè)量）無線傳感器通信標(biāo)準(zhǔn)1998年，IEEE802.15工作組成立,從事WPAN標(biāo)準(zhǔn)化工作。它的任務(wù)是開發(fā)一套適用于短程無線通信的標(biāo)準(zhǔn)，分為4個(gè)工作組：

TG1:中速、近距離

藍(lán)牙工作組,手機(jī)，PDA

TG2:共存工作組，解決802.11和802.15之間共存的問題，WLAN。

TG3:高速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，個(gè)人多媒體

TG4:低速無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)；ZigBee，ZigBee是基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。

典型WSN紅外藍(lán)牙無線局域網(wǎng)Zigbee

藍(lán)牙、WIFI、Zigbee三種技術(shù)的比較-16-2.Zigbee技術(shù)概述-17-名字的由來Zigbee名字起源于蜜蜂之間傳遞信息的方式。蜜蜂通過一種特殊的肢體語言告知同伴新發(fā)現(xiàn)的事物源位置信息，這種肢體語言是ZigZag型舞蹈，借此意義以Zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。

2.1Zigbee簡(jiǎn)介Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4僅處理低級(jí)的MAC（媒體接入控制協(xié)議）層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用層進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。注：2.4GHZ是全球通用的ISM頻段，915MHZ是北美的ISM頻段，896MHZ是歐洲認(rèn)可的ISM頻段。ISM：Industrial,ScientificandMedical信道編號(hào)中心頻率/MHz信道間隔/MHz頻率上限/MHz頻率下限/MHzk=0868.3--868.6868.0k=1,2,…,10906+2(k-1)2928.0902．0k=11,12,…,262401+5(k-11)52483.52400.0Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋃igbee基本設(shè)備ZigBee終端設(shè)備（End-device）一個(gè)終端設(shè)備對(duì)于維護(hù)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備沒有具體的責(zé)任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點(diǎn)。設(shè)備類型（P5）拓?fù)漕愋褪欠癯蔀閰f(xié)調(diào)器通話對(duì)象全功能設(shè)備（FFD）星型、樹狀、網(wǎng)狀可以與任何ZigBee設(shè)備通話簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）星型不可以與協(xié)調(diào)器、路由器通話，不能與終端設(shè)備通話Zigbee基本概念Zigbee基本概念Zigbee應(yīng)用領(lǐng)域。。。低速無線設(shè)備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標(biāo)·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動(dòng)化·控制工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費(fèi)電子PC機(jī)的外圍設(shè)備玩具和游戲個(gè)人健康監(jiān)護(hù)-32-2003年12月，Chipcon公司推出第一款符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器CC2420

2.2Zigbee技術(shù)的發(fā)展

+-33-2004年12月，Chipcon公司推出全球第一個(gè)IEEE802.15.4Zigbee片上系統(tǒng)解決方案——CC2430無線單片機(jī)，該芯片內(nèi)部集成了一款增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及當(dāng)時(shí)業(yè)內(nèi)性能卓越的射頻收發(fā)器CC2420。

技術(shù)的發(fā)展

8051CC2420-34-2005年12月，Chipcon公司推出內(nèi)嵌定位引擎的ZigbeeIEEE802.15.4解決方案CC2431。2006年2月，TI公司收購Chipcon公司，又相繼推出一系列的Zigbee芯片，比較有代表性的片上系統(tǒng)如CC2530。

技術(shù)的發(fā)展

技術(shù)的發(fā)展2007年1月，TI公司宣布推出Zstack協(xié)議棧V2.4.1

2007年7月，V1.4.22008年1月，V1.4.32008年3月，V2.0.02008年6月，V2.1.0…2010年12月，V2.4.0技術(shù)的發(fā)展2.3Zigbee軟件協(xié)議棧-39-非開源的協(xié)議棧常見的非開源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。Freescale中最簡(jiǎn)單的Zigbee解決方案就是SMAC協(xié)議，是面向簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)應(yīng)用，不涉及網(wǎng)絡(luò)概念。Freescale完整的Zigbee協(xié)議棧為BeeStack協(xié)議棧，也是最復(fù)雜的協(xié)議棧，看不到具體的代碼，只提供一些封裝好的函數(shù)直接調(diào)用。-40-非開源的協(xié)議棧常見的非開源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。Microchip提供的Zigbee協(xié)議為Zigbee@PRO和Zigee@RF4CE，均是完整的Zigbee協(xié)議棧，但是收費(fèi)偏高。半開源的協(xié)議棧TI公司開發(fā)的ZStack協(xié)議棧是一個(gè)半開源的Zigbee協(xié)議棧，是一款免費(fèi)的Zigbee協(xié)議棧，它支持Zigbee和ZigbeePRO，并向后兼容Zigbee2006和Zigbee2004。Zstack內(nèi)嵌了OSAL操作系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)的C語言代碼，使用IAR開發(fā)平臺(tái)，比較易于學(xué)習(xí)，是一款適合工業(yè)級(jí)應(yīng)用的Zigbee協(xié)議棧。開源的協(xié)議棧Freakz是一個(gè)徹底開源的Zigbee協(xié)議棧，配合contiki操作系統(tǒng)，contiki的代碼全部為C語言編寫，對(duì)于初學(xué)者來說比較容易上手。Freakz適合用于學(xué)習(xí)，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，Zstack比較實(shí)用。2.4軟件開發(fā)平臺(tái)IAR軟件集成開發(fā)平臺(tái)Zigbee嗅探器（ZigbeeSniffer）物理地址修改軟件（SmartRFFlashProgrammer）輔助軟件

IAR軟件開發(fā)平臺(tái)IAREmbeddedWorkbench（簡(jiǎn)稱IAR或EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是完整且容易使用的嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具，對(duì)不同的處理器提供不同的版本（例如IARFor51，F(xiàn)orARM，F(xiàn)orAVR等），且提供一樣的直觀用戶界面

IAR軟件開發(fā)平臺(tái)IAR安裝IARFor51版，其對(duì)硬件的配置

如下。

硬件名稱配置要求CPU最低600MHz處理器，建議1GHz以上RAM內(nèi)存1GB，建議2GB以上可用硬盤空間可用空間1.4GB操作系統(tǒng)Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7IAR安裝雙擊安裝程序進(jìn)行安裝

IAR安裝進(jìn)入安裝界面

IAR安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝完成IAR安裝安裝完成ZigbeeSnifferZigbee嗅探器（程序名是ZigbeeSniffer.exe）是用來分析Zigbee各層的幀結(jié)構(gòu)程序，程序的運(yùn)行需要配合“Zigbee嗅探器設(shè)備”才可運(yùn)行

-61-2.5輔助軟件物理地址修改軟件仿真器驅(qū)動(dòng)軟件USB轉(zhuǎn)串口軟件

2.5輔助軟件物理地址修改軟件物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）是TI提供的，可用于讀取或者修改芯片物理地址，2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝雙擊圖標(biāo)進(jìn)入安裝界面2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇“Chang…”可以選擇安裝路徑

2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇完全安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝安裝過程2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動(dòng)仿真器驅(qū)動(dòng)程序用于驅(qū)動(dòng)Zigbee仿真器以便下載和調(diào)試IAREW程序。IAREW自帶了CC2530的仿真器下載調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序。第一次使用仿真器時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示找到新硬件

2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動(dòng)點(diǎn)擊瀏覽選擇驅(qū)動(dòng)文件

2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動(dòng)仿真器硬件驅(qū)動(dòng)程序目錄為C:\ProgramFiles\IARSystems\EmbeddedWorkbench5.3Evaluationversion\8051\drivers\TexasInstruments（本例是將IAR安裝在C盤）

仿真器驅(qū)動(dòng)選擇驅(qū)動(dòng)程序文件完成后，點(diǎn)擊下一步

仿真器驅(qū)動(dòng)安裝完成

-75-USB轉(zhuǎn)串口軟件USB轉(zhuǎn)串口用于擴(kuò)展PC機(jī)的串口，方便沒有物理串口的機(jī)器使用串口

，USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動(dòng)軟件安裝和仿真器的驅(qū)動(dòng)軟件安裝過程一樣，第一次使用時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示找到新硬件USB轉(zhuǎn)串口軟件選擇軟件安裝，本書中USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝位置在Zigbee/CH1/1.G.3/中

USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝完成2.6Zigbee硬件開發(fā)平臺(tái)Zigbee硬件設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)選用AltiumDesigner軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行原理圖和PCB圖的繪制

2.6Zigbee硬件開發(fā)平臺(tái)Zigbee硬件平臺(tái)為Zigbee開發(fā)套件序號(hào)名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量用途備注1核心板CC2530Core7協(xié)調(diào)器、路由器的核心板核心板不能獨(dú)立使用，需要插入?yún)f(xié)調(diào)器或路由器底板的插座上才