基于ZigBee技术的无线.ppt

基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究,电子信息工程学院 08通信2班 金广浩,主要内容 1. WSN简介 2. 几种常用的无线通信技术 3.ZigBee/IEEE802.15.4技术标准 4.总结与展望,背景概述 无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、环境、军事、医疗等传统领域有着巨大的应用价值，在未来许多新兴领域也有着不可想象的优越性，例如家用、保健、城市交通等。在将来，无线传感器网络甚至能够渗入到我们生活的角角落落，我们可以将手机、笔记本电脑、PDA(Personal Digital Assistant,个人数码处理)等便携装置随时组成网络，构成一个WLAN（Wireless Local Area Network,无线局域网），充分享受“信息随身化、便利走天下”的理想境界。将WSN用于城市路灯控制，通过布设在道路两侧的无线传感器网络，来控制路灯的亮度、开关等。将WSN应用到空调系统，来控制空调的功率和开关，从而能达到节能省电的目的。将WSN应用到地震、泥石流或滑坡等灾害多发地，能够更好、更安全地协助环境监测，预报地质灾害。总之，在不久的将来，无线传感器网络必将能够布满于我们的生活，给我们的生活带来无尽的舒适与便捷。,无线传感器网络是一种特殊的Ad-hoc3网络，它是一种以数据为中心、自组织多跳的无线网络。它具有规模大、自组织、部署方便、以数据为中心、动态网络、通信灵活等特点。,图1-1是典型的无线传感器网络的体系结构图。完整的WSN体系结构应包括传感器节点群、sink节点、互联网和用户终端等。大量体积小、成本低、具有数据采集、处理、融合和无线通信功能的节点通过飞机播撒、人工布置等方式被部署在监测区域，每个节点都可以感测监测区域内的环境信息，并以无线、自组织、多跳的方式在相互之间进行通信，并将数据信息传送到汇聚节点（sink节点），最终由汇聚节点通过Internet、卫星或者移动通信等方式将数据信息传送到用户终端。如果距离较远，为了提高通信可靠性，可在sink节点附近增设基站，通过基站与Internet进行连接。,WSN的协议栈结构,典型的WSN协议栈结构图如图1-3所示。该协议栈包括物理层（physical layer）、数据链路层（data link layer）、网络层（network layer）、传输层（transport layer）和应用层（application layer），分别与互联网协议栈4的五层协议相对应。同时，WSN协议栈还包括能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台。这些管理平台使得传感器节点能够按照能源高效的方式协同工作，在节点移动的传感器网络中转发数据，并支持多任务和资源共享。,WSN特点,无线传感器网络是新一代传感器网络，有着鲜明的特点： （1）电源能量有限。节点一般采用自带电源供电，由于它体积小，所带电能有限，一旦耗完，节点就失去了工作能力。所以，在硬件设计方面应尽量选用低功耗的器件，在软件方面应采用优化的程序和通信协议，以保证电能的充足，延长节点的寿命。 （2）无中心、动态拓扑。WSN没有明确的中心，各个节点之间是对等的；任何节点都可以随时加入或退出网络，而不会影响其它节点的有效性，只是整个网络的拓扑结构会随之而动态变化。 （3）多跳、自组织。WSN中无需借助于其它辅助设备，完全由各个节点通过预设的协议和算法自行组织，在相互之间进行多跳转发数据，快速形成通信网络。同时，节点间通信采用短距离多跳方式比长距离少跳方式省电，对整个网络的性能更有利。 （4）节点数量多，分布范围广。为了满足探测的需要，需要在被探测区域投入大量的节点，来监测环境信息。只有这样才能在监测范围内尽可能多、尽可能准确地获取有价值信息。因而，一般WSN包含的节点数量非常之多，分布范围之广。,几种常用的无线通信技术,蓝牙技术 红外技术 ZigBee技术 Wi-Fi技术 RFID技术 HomeRF技术 UWB技术,几种无线通信技术对比,ZigBee/IEEE802.15.4技术概述,ZigBee技术是一种具有统一标准的短距离无线通信技术，其物理层(PHY)和媒体接入控制（MAC）协议为IEEE802.15.4协议标准，网络层、安全层和应用层由ZigBee联盟7制定。根据IEEE802.15.4标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，分别为868MHz，915MHz和2.4GHz。其中2.4GHz频段，分为16个频段，该频段为全球通用的工业、科学、医学（ISM，Industrial Scientific and Medical）频段，该频段为免费、免申请的无线电频段，数据传输速率为250kbps，采用偏移四相相移键控调制技术（OQPSK）；另外两个频段868、915MHz分别适用于欧洲和美国，其相应的信道个数分别为1个信道和10个信道，传输速率分别为20kbps和40kbps，分别采用直接序列扩频技术(DSSS)和二进制相移键控(BPSK)调制技术。,ZigBee技术特点,相对其它无线通信技术，ZigBee技术有着鲜明的特点： 低功耗。这是ZigBee技术最为显著的一个特点，由于它采用了休眠-唤醒机制，大大减少能量消耗，两节5号电池可支持一个节点6-24个小时。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。ZigBee作为WSN的一种重要技术，成本低是它的一大优势，每个 ZigBee芯片的成本最低能达到十几元人民币，并且ZigBee免协议专利费，这为ZigBee技术的开发研究和发展奠定了很好的基础。 传输速率低。Zigbee工作在20250 kbps的较低传输速率,分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps (915 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。 短距离。传输范围一般介于10100 m 之间,在增大射频功率后,可达到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可采用星型、树型和Mesh网络拓扑结构，由一个主节点管理若千个子节点，一个主节点最多可以管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65536个节点的网络。 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。采用工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。,ZigBee技术的体系结构,ZigBee协议栈的体系结构如图3-1所示，物理层和MAC层采用IEEE802.15.4协议标准，网络层、加密层和应用层由ZigBee联盟制定。 图3-1 ZigBee协议栈的体系结构,ZigBee技术的网络配置,Zigbee网络中包含两种功能设备，三种节点类型，三种拓扑结构以及两种工作模式。有了这些基本的知识和功能单元，我们就可以对ZigBee进行组网。 两种功能设备 ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。 三种节点类型 ZigBee网络含三种类型的节点：协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和终端设备ZE(ZigBee EndDevice)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。 三种拓扑结构 ZigBee网络拓扑有星形，网形和簇形三种结构,ZigBee组网,ZigBee标准提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为管理服务实体和数据服务实体。管理服务实体通过网络管理实体服务接入点(NLME-SAP)提供网络管理服务，并允许应用和堆栈相互作用。数据服务实体生成协议数据单元(PDU)，并通过数据实体服务接入点(NLDE-SAP)提供数据传输服务。,ZigBee 路由,路由协议 ZigBee的网络层定义了两种路由方式树形路由（Tree Routing，TR）和ZigBee距离矢量路由协议（ZigBee Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，ZAODV）。TR通过一种树形拓扑的地