ZigBee技术及其应用.ppt

ZigBee技术及其应用 主要内容 什么是ZigBeeZigBee应用场景ZigBee的协议模型ZigBee的解决方案应用ZigBee进行电子信息系统开发 什么是ZigBee ZigBee是一种新兴的短距离 低复杂度 低功耗 低数据速率 低成本的无线网络技术 物理层协议 IEEE802 15 4 采用直接序列扩频技术 可用的频段有3个 分别是2 4GHz的ISM频段 欧洲的868MHz频段 以及美国的915MHz频段 应用领域 工业控制 消费性电子设备 汽车自动化 家庭和楼宇自动化 医用设备控制等 无线网络标准的比较 无线网络标准的比较 ZigBee的技术优势 数据传输速率低 10KB 秒 250KB 秒 专注于低传输应用功耗低 在低功耗待机模式下 两节普通5号电池可使用6 24个月成本低 ZigBee数据传输速率低 协议简单 所以大大降低了成本网络容量大 网络可容纳65000个设备时延短 典型搜索设备时延为30ms 休眠激活时延为15ms 活动设备信道接入时延为15ms 网络的自组织 自愈能力强 通信可靠数据安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能 采用AES 128加密算法 美国新加密算法 是目前最好的文本加密算法之一 各个应用可灵活确定其安全属性工作频段灵活 使用频段为2 4GHz 868MHz 欧洲 和915MHz 美国 均为免执照 免费 的频段 主要内容 什么是ZigBeeZigBee应用场景ZigBee的协议模型ZigBee的解决方案应用ZigBee进行电子信息系统开发 低速无线设备 工业 农业和商业 消费电子 个人健康监护 玩具和游戏 家庭自动化 PC机的外围设备 ZigBee的应用场景 结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络 基于Zigbee技术的无线智能家居 基于ZigBee技术的无线三表远程抄表系统 采用MESH网状网络结构 保证数据传输的可靠性每幢单元楼设置一个ZIGBEE远端节点一个小区设置一个ZIGBEE中心节点ZIGBEE中心节点数据通过GPRS CDMA或ADSL上传到集抄中心 基于ZigBee技术的水文水利监测无线数据传输网络 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 ZigBee智能交通控制系统无线通信方案 ZigBee产品 1 日本OKI太阳能电池的ZigBee传感器网络实验机 2005年1月 目的 测定ZigBee电波传播特性测定太阳能电池供电性能测定移动装置定位性能推进利用ZigBee构筑无所不在的传感器网络 ZigBee产品 1 ZigBee产品 2 OKI的ZigBee生物传感器节点 2005年2月 应用在医院等医疗单位患者实时身体状况信息通过ZigBee网络传送给医生或护理师 ZigBee产品 3 日立的压力检测传感器 2004年12月 用于大型机械和建筑物的安全监控支持ZigBee规格 通信距离达100米每5分钟通信一次 1节5号锂电池可工作3年以上 ZigBee产品 4 三菱的ZigBee无线传感器 2004年10月 尺寸 5 4cmx4 4cmx0 8cm传感器模块配备温度 湿度 加速度 光照度 紫外线 人体感应及声压传感器用于家庭保安系统 ZigBee产品 5 韩国Pantech Curitel手机 2004年12月 全球第一个内嵌ZigBee模块手机可实现对家庭电灯 电脑的开关和对湿度 温度的控制 ZigBee产品 6 Lusora垂饰 2005年2月 专为老人提供居家安全保障内嵌照相机 加速计 各类传感器和收发器配合家居其他ZigBee传感器网络 ZigBee产品 7 菲利普楼宇无线照明控制照明开关 光暗控制可根据光线亮度自动调节网络可随意增添传感器 主要内容 什么是ZigBeeZigBee应用场景ZigBee的协议模型ZigBee的解决方案应用ZigBee进行电子信息系统开发 ZigBee的协议模型 实现 0 1 的传输 即数据链路层 解决无线资源的竞争问题 设备间无线数据链路的建立 维护和结束 路由 保证网络内的点到点的数据传输 对数据进行加密 保证数据的完整性 物理层 1 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 2 物理层 3 MAC层 1 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 MAC层 2 ZigBee网络中的三种设备类型 网络协调器 每各ZigBee网络必须有一个 初始化网络信息 全功能设备 FFD 可以担任网络协调者 形成网络 让其它的FFD或是精简功能装置 RFD 连结 FFD具备控制器的功能 可提供信息双向传输 附带由标准指定的全部802 15 4功能和所有特征在空闲时起网络路由器作用 也能用作终端设备精简功能设备 RFD 只能传送信息给FFD或从FFD接收信息 附带有限的功能来控制成本和复杂性在网络中通常用作终端设备 全功能器件FFD RFD Router可工作于所有网络结构可作为网络协调器可与网络中任何节点通信 简化功能器件RFD仅可和网络中的FFD通信不能作为网络协调器 MAC层 4 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 应用支持层及应用层 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中其他器件的工作应用支持层根据服务和需求使多个器件之间进行通信应用层主要根据具体应用由用户开发 无线组网基础 网络扫描装置扫描16个信道 以确定可占用的最佳信道 组建 连接一个PAN装置可在自由信道上组建一个网络 协调器 或连接到一个已存在的网络上 装置搜寻装置询问网络 以在活动信道中搜寻相符的装置 服务搜寻装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务 绑定装置间通过命令 控制信息实现通信 形成ZigBee网络的方法 一个网络的形成 必须由FFD率先担任网络协调者 建立网络 再由其它的FFD或是RFD加入这个网络 不过RFD只能和FFD连结 根据装置在网络中的功能 预先对装置编制好程序协调器的功能是通过扫描搜索 以发现一个未用的信道来启动一个网络 路由器 一个网络中的mesh设备 的功能是通过扫描搜索 以发现一个激活的信道并将其连接 然后允许其它装置连接 终端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络 装置搜索网络中能提供完整服务的其它装置允许网络中的任何装置可对服务搜索进行初始化 将装置与可提供完整服务的其它装置进行绑定绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征 主要内容 什么是ZigBeeZigBee应用场景ZigBee的协议模型ZigBee的解决方案应用ZigBee进行电子信息系统开发 ZigBee解决方案 ZigBee解决方案 TI经典方案CC2430 Z Stack CC2430芯片 Z stack 协议软件 类似于TCP IP的实现 物理层芯片 类似于网卡芯片 CC2430是系统级芯片 SoC 在单个芯片上集成了ZigBeeRF前端 内存和微控制器 Z StackZigBee协议栈 是一个软件包 提供一套C函数 应用程序通过函数调用实现期望的通讯功能 CC2430 RF LAYOUT兼容IEEE802 15 4的RF前端7 7mmQLP48封装功耗低功耗 接收27mA 发送27mA 休眠电流0 3 0 5 A宽电压工作 2 0V 3 6V 内核一个加强51128KBFALSH 另有32K 64K可选 8KBRAM 4KB可以全模式工作 DMA功能自带看门狗一个IEEE802 15 4MAC定时器支持硬件调试 外设CSMA CA 硬件支持 信号强度自动生成电源 温度管理12位ADC128位AES加密处理两个全功能串口21个I O开发工具 编译器 IAREmbeddedWorkbench 单价不超过4美元 主要内容 什么是ZigBeeZigBee应用场景ZigBee的协议模型ZigBee的解决方案应用ZigBee进行电子信息系统开发 应用ZigBee进行电子信息系统开发 快速开发 利用ZigBee串口模块 缺点 成本高 体积大 降低成本 根据需求设计软硬件 开发工具1 开发套件 开发工具2 编译器IAR CC2430可以使用KEIL IAR开进行开发 支持C 汇编等语言 但是建议使用IAR软件 原因有两点 TIZ Stack协议栈使用IAR开发完成 要使用免费的ZigBee协议 就要使用IAR 使用IAR才能获得其他技术支持 IAR入门 打开存在的项目 创建一个新项目 保存项目 添加源文件 添加一个存在的源文件 新建源文件 编写代码 保存源文件 选择芯片型号 选择防真方式 选择防真器的接口方式 编译 连接 查看信息窗口 调试 Z Stack采用操作系统的思想来构建 采用事件轮循机制 当各层初始化之后 系统进入低功耗模式 当事件发生时 唤醒系统 开始进入中断处理事件 结束后继续进入低功耗模式 如果同时有几个事件发生 判断优先级 逐次处理事件 整个Z stack的主要工作流程 大致分为系统启动 驱动初始化 OSAL初始化和启动 进入任务轮循几个阶段 下面将逐一详细分析 Z Stack协议栈工作流程 Z Stack系统运行流程图 ZSEGintmain void 主函数例子 即启动程序 osal int disable INTS ALL 关闭中断HAL BOARD INIT 初始化HALzmain vdd check 电压检测zmain ram init 初始化stack存储区InitBoard OB COLD 初始化板载IOHalDriverInit 初始化HAL驱动osal nv init NULL 初始化NV系统zmain ext addr 确定MAC地址zgInit 初始化基本NV条目ZMacInit 初始化MACafInit 初始化AFosal init system 初始化操作系统osal int enable INTS ALL 允许中断InitBoard OB READY 初始化开发板zmain dev info 显示设备信息zmain lcd init 液晶初始化osal start system 启动操作系统 应用程序任务 Z stack的任何一个子系统