無線傳感器網絡簡明教程（第2版）,崔遜學左從菊 編著,第6章 傳感器網絡協議的技術標準,本章內容,6.1 技術標準的意義6.2 IEEE 1451系列標準6.3 IEEE 802.15.4標準6.3.1 IEEE 802.15.4 標準概述6.3.2 物理層6.3.3 MAC 子層6.3.4 符合 IEEE 802.15.4 標準的傳感器網絡實例,本章內容,6.4 ZigBee 協議標準6.4.1 ZigBee 概述6.4.2 網絡層規范6.4.3 ZigBee網絡系統的設計開發6.4.4 符合ZigBee規范的傳感器網絡實例,6.1 技術標準的意義,無線傳感器標準化,實現規模效益,擴大市場,低成本,可大量部署,無線傳感器網絡,6.1 技術標準的意義,兩個公認成果是IEEE 1451接口標準和IEEE 802.15.4低速率無線個域網協議。,6.1 技術標準的意義,6.2 IEEE 1451系列標準,1、IEEE 1451標準的誕生,目前市場上在通訊方面所遵循的標準主要包括IEEE 803.2(以太網)、IEEE 802.4(令牌總線)、IEEE FDDI(光纖分布式數據界面)、TCP/IP(傳輸控制協議/互聯協議)等，以此來連接各種變送器（包括傳感器和執行器），要求所選的傳感器/執行器必須符合上述標準總線的有關規定。,6.2 IEEE 1451系列標準,一般說來，這類測控系統的構成可以采用如圖所示的結構來描述。,6.2 IEEE 1451系列標準,現場總線標準不統一,現場總線標準都有自己規定的通信協議,互不兼容,IEEE 1451標準族,IEEE 1451系列標準是由IEEE儀器和測量協會的傳感器技術委員會發起制訂的。,6.2 IEEE 1451系列標準,制訂IEEE 1451標準的目的:,定義一套通用的通信接口,使變送器(傳感器/執行器)能夠獨立于網絡,解決不同網絡之間的兼容性問題,互換性與互操作性,6.2 IEEE 1451系列標準,IEEE 1451.1標準的智能變送器模型,6.2 IEEE 1451系列標準,IEEE 1451系列標準的組成結構如圖所示，這些標準可以在一起應用，構成多種網絡類型的智能傳感器系統，也可以單獨使用。,6.2 IEEE 1451系列標準,IEEE 1451.3,1.3,分布式多點系統數字通信和變送器電子數據表格式,1.4,混合模式通信協議和變送器電子數據表格式,IEEE 1451.4,1.5,為智能傳感器的連接提供無線解決方案,IEEE 1451.5,IEEE 1451.2,1.2,變送器與微處理器通信協議和變送器電子數據表格式,IEEE 1451系列標準,6.2 IEEE 1451系列標準,6.3 IEEE 802.15.4標準,IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網絡具有如下特點：,(1) 在不同的載波頻率下實現20kbps、40kbps和250kbps三種不同的傳輸速率； (2) 支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構； (3) 有16位和64位兩種地址格式，其中64位地址是全球惟一的擴展地址； (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術(CSMA-CA)； (5) 支持確認機制，保證傳輸可靠性。,6.3.1 IEEE 802.15.4標準概述,IEEE 802.15.4標準,6.3.2 物理層,信道的頻段中心定義如下(其中k表示信道編號)：,fc=868.3MHZ k= 0 fc=906+2(k1)MHz k=1,2，10 fc=2405+5(k11)MHz k=11，12，26,6.3.2 物理層,1、物理層服務規范,6.3.2 物理層,IEEE 802.15.4標準的物理層參考模型,2、物理層幀結構,IEEE 802.15.4 物理層的幀結構,6.3.2 物理層,1、MAC層服務規范,6.3.3 MAC子層,IEEE 802.15.4 標準的MAC層組件接口,2、MAC層的幀結構,IEEE 802.15.4標準的 MAC層的通用幀結構,6.3.3 MAC子層,6.4 ZigBee協議標準,1、ZigBee的由來,ZigBee技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網絡方案。在ZigBee方案被提出一段時間后，IEEE 802.15.4工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。最終Zigbee聯盟和IEEE 802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協議標準，該協議標準被命名為“ZigBee”。,6.4.1 ZigBee概述,通信速率低于藍牙,不更換電池并且不充電的情況下正常工作幾個月甚至幾年,提供無線通信功能,通信要求,6.4.1 ZigBee概述,傳輸距離,6.4.1 ZigBee概述,協議芯片是協議標準的載體，也是最容易體現知識產權的一種形式。 目前市場上出現了較多的ZigBee芯片產品及解決方案，有代表性的包括Jennic公司的JN5121/JN5139、Chipcon公司的CC2430/CC2431（被TI公司收購）和Freescale公司MC13192、Ember公司的EM250等系列的開發工具和芯片。,協議芯片,6.4.1 ZigBee概述,2、ZigBee協議框架,完整的ZigBee協議棧自上而下由應用層、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。數據鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。,6.4.1 ZigBee概述,直接序列擴頻技術可使物理層的模擬電路設計變得簡單，且具有更高的容錯性能，適合低端系統的實現。,2.4GHz,250kbps,16信道,915MHz,40kbps,10信道,868MHz,250kbps,單信道,物理層采用直接序列擴頻(DSSS)技術，定義了三種流量等級：,6.4.1 ZigBee概述,ZigBee的拓撲結構,6.4.1 ZigBee概述,(1) 數據傳輸速率低：數據率只有10kbps250kbps，專注于低傳輸應用。 (2) 有效范圍小：有效覆蓋范圍1075m之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定。 (3) 工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為無需申請的ISM頻段。 (4) 省電：由于工作周期很短，收發信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確保兩節五號電池支持長達6個月至2年左右的使用時間，當然不同應用的功耗有所不同。,3、ZigBee的技術特點,6.4.1 ZigBee概述,(5) 可靠：采用碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突。 (6) 成本低：由于數據傳輸速率低，并且協議簡單，降低了成本，另外使用ZigBee協議可免專利費。 (7) 時延短：設備搜索時延的典型值為30ms，休眠激活時延的典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。 (8) 網絡容量大：一個ZigBee網絡可容納多達254個從設備和一個主設備，一個區域內可同時布置多達100個ZigBee網絡。 (9) 安全：ZigBee提供了數據完整性檢查和認證功能，加密算法采用AES-128，應用層安全屬性可根據需求來配置。,6.4.1 ZigBee概述,網絡層從功能上為IEEE 802.15.4 MAC子層提供支持，為應用層提供合適的服務接口。為了實現與應用層的接口，網絡層從邏輯上分為兩個具備不同功能的服務實體，分別是數據實體和管理實體。,6.4.2 網絡層規范,ZigBee網絡層的幀結構, 幀控制域：由16位組成，內容包括幀種類、尋址、排序域和其它的控制標志位。 目標地址域：必備，有兩個8位字節長，用來存放目標設備的16位網絡地址或者廣播地址(0xffff)。 源地址域：必備，有兩個8位字節長，用來存放發送幀設備自己的16位網絡地址。 半徑域：必備，有一個8位字節長，用來設定傳輸半徑。 序列號域：必備，有一個8位字節長，在每次發送幀時改為加1。 幀負載域：該域長度可變，內容由具體情況決定。,6.4.2 網絡層規范,1、系統設計事項,(1) ZigBee協議棧,ZigBee系統軟件的開發是在廠商提供的ZigBee協議棧的MAC和物理層基礎上進行的。協議棧分有償和無償兩種。,無償的協議棧能夠滿足簡單應用開發的需求，但不能提供ZigBee規范定義的所有服務，有些內容需要用戶自己開發。例如，Microchip公司為產品PICDEMO開發套件提供了免費的MP ZigBee協議棧；Freescale公司為產品13192