物联网系列专业课程：无线传感网技术

无线传感网技术,中智讯（武汉）科技有限公司,常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验,未来的物联网将会是多种技术共生的异构网络,应用于物联网的各种无线技术,物联网无线通信所要解决的问题,物联网,ZigBee,ZigBee是IEEE802.15.4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、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。ZigBee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在50200m的范围内,但可以继续增加。,ZigBee应用,家庭自动化,PC机的外围设备,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,消费性电子设备家庭和楼宇自动化设备工业控制装置农业自动化电脑外设医用传感器玩具和游戏机等设备支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域,监视传感器自动化控制,监视诊断传感器,玩具游戏器具,TVVCRDVDCD,鼠标键盘操作杆,保安HVAC照明门禁,Wi-Fi,802.11标准是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取IEEE802.11b/g/n即为Wi-Fi标准，工作频段在2.4GHz2.4835GHz，传输速率分别可达11Mbps/54Mbps/600Mbps主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达300米，在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合工业上也常有透传Wi-Fi作为无线数据传输,Wi-Fi应用,蓝牙/BLE,蓝牙(Bluetooth)，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在全球通用的2.4GHzISM频段。其数据速率为1Mbp采用时分双工传输方案实现全双工传输蓝牙4.0是蓝牙3.0+HS规范的补充，专门面向对成本和功耗都有较高要求的无线方案，是一个双模的标准，它包含传统蓝牙部分和低功耗蓝牙部分，主要应用于智能设备领域,蓝牙/BLE应用,LoRa,LoRa是基于LPWAN（低功耗广域网）的一种新型通信技术，由Semtech公司发布。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，这确保了网络连接可靠性。LoRa采用线性调频扩频调制技术，即保持低功耗特性，又明显地增加了通信距离，同时提高了网络效率，LoRa集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。LoRa采用LoRaWAN协议，是LoRa联盟推出的一个基于开源的MAC层协议的低功耗广域网标准。LoRa主要在全球免费频段运行（即非授权频段），包括433、868、915MHz等。,LoRa,LoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、服务器和云四部分组成，应用数据可双向传输。,LoRa应用,NB-IoT,NB-IoT是一种基于蜂窝数据连接的LPWAN（低功耗广域网），NB-IoT只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级,联合提出NBM2M,提出NBOFDMA,提出NBLTE,NB-IOT工作组,NBCIOT,报告发起者,NB-IOT,2016.6冻结,2015.9,2015.5,2014.5,2014.7,2015.7,融合入,融合入,NB-IoT技术优势,移动物联网技术的不同定位,NBIoT相对短距通信/私有技术优势明显,NB-IoT端到端解决方案,NB-IoT应用,6LoWPAN,6LoWPAN（IPv6overlowpowerWPAN）是低速无线个域网（LR-WPAN）标准，网络层互联方案；6LoWPAN的设计目标是在无线个域网（WPAN）中引入IPv6协议，在网络层和MAC层间加一个网络适配层，完成包头压缩、分片、重组和路由转发等，实现在IEEE802.15.4上传输IPv6数据包；6LoWPAN支持星型、树型、MESH网等多种网络拓扑结构；Contiki等操作系统均集成了6LoWPAN协议支持,6LoWPAN技术,应用层,表示层,会话层,传输层,网络层,数据链路,物理层,6LoWPAN特定的应用程序（使用Socket接口）,未使用,未使用,TCP/UDP,IPv6，6LoWPAN适配层，分片和重组技术,IEEE802.15.4MAC(CSMA/CA),IEEE802.15.4PHY,提供IPv6的数据压缩、分片重组功能，Mesh路由功能,OSI,6LoWPAN,6LoWPAN协议操作系统,Contiki平台是专门面向无线传感器网络而开发的嵌入式操作系统；开源，免费，可移植到多种平台：C51/AVRTICC2530/TICC2430/TIMSP430STM32/FreescaleMC1322x/LPC2103支持多任务，采用低功耗设计；具有TCP/IP等多种网络协议栈，支持ipv4和ipv6协议；Contiki包含6LoWPAN报文压缩、RPL路由、CoAP应用层。,常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验,ZigBee起源,工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求越来越强烈，而蓝牙技术对于这一领域显然有一定的局限；2002年，zigbeeAlliance成立；Zigbee协议在2003年正式问世；2004年，zigbeeV1.0诞生；2006年，推出zigbee2006,比较完善；2007年底，zigbeePRO推出。,ZigBee联盟成员,CompXs,ZigBee联盟的主要目标是以透过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产片。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产商终于可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种产品。,ZigBee技术特点,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624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65,000个设备时延短：通常时延都在15ms30ms安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法有效范围小：有效覆盖范围50200米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。,ZigBee通信可靠性,ZigBee技术体系,一个真正的ZigBee，由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MACLayer）；ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，从下往上依次是物理层，MAC层，网络/安全层，应用支持子层，应用层。,ZigBee通信频道,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），200m（室外）。,ZigBee通信频道,ZigBee网络架构,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位地址寻址全功能器件FFD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,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时隙进行通信，如：鼠标、键盘,ZigBee的网络架构,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功能和所有特征更多的存储器、计算能力可使其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)：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,ZigBee的网络架构,从节点类型来分类ZigBee设备包括：协调器、路由器、终端节点。ZigBee协调器(Coordinator)：上电启动和配置网络（例如设定网络标示符，选择信道），一旦完成后相当于路由器功能每各ZigBee网络必须有一个ZigBee路由器(Router)：允许其他网络设备加入多跳路由协助电池供电的子节点通信自己作为终端节点应用ZigBee终端节点(EndDevice)：向路由节点传递数据没有路由功能低功耗（ZigBee的低功耗主要体现在这里）可选择睡眠与唤醒。（路由因不断转发数据需电源供电，终端节点电池供电）,ZigBee的网络拓扑模型,ZigBeeMesh网络拓扑模型,MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。,ZigBee个域网地址,PANID是个域网地址，也是网络的ID(即网络标识符)ZigBee协议使用一个16位的个域网标志符（PANID）来标识一个网络所有节点的PANID唯一，一个网络只有一个PANID，它是由PAN协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入那个网络ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为0 xFFFF时，节点就将建立或加入一个“最优”的网络ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为0 x00010 x3FFF，节点将建立或加入该个域网地址网络,ZigBee地址/寻址,ZigBee设备有两种网络地址：1个是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者扩展地址（Extendedaddress）另一个是16位的网络地址，也叫做逻辑地址（Logicaladdress）或者短地址，建立网络以后，由协调器动态分配64位长地址是全球唯一的地址，并且终身分配给设备。这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置，是由IEEE来提供特殊的逻辑地址（addrMode设为AddrBroadcast）：0 x0，协调器地址NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL(0 xFFFF)，数据包将被传送到网络上的所有设备NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVRXON(0 xFFFD)，数据包将被传送到网络上的所有非睡眠设备NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVZCZR(0 xFFFC)，数据包发送给所有的路由器，包括协调器,构建ZigBee网络,初始化IEEE802.15.4协议栈,创建PANCoordinator,设置网络的PANID,设置Coordinator的短地址,设置射频频率通道,启动网络,其他节点加入网络,获取短地址，开始通信及数据传输,首先，每个设备的协议栈必须要对其PHY和MAC层初始化,每个网络必须有一个也只能有一个PANCoordinator,PANID作为网络标识，可以被人为的预定义,除64位IEEEMAC地址外，还须分配一个16位的短地址“0”,从16个信道中选择一个作为通信通道,设备以Coordinator的模式启动，然后就开放请求应答,有可以利用的Coordinator，设备就可以申请加入网络,设备被Coordinator接受，将获得短地址作为标识，便可传输数据,构建ZigBee网络,一个网络的形成，必须由协调器节点率先担任网络协调者，建立网络，再由其它的路由节点或是终端节点加入这个网络，不过终端节点只能和路由节点或协调器节点连结。根据节点在网络中的功能，预先对节点进行程序设计协调器的功能是通过扫描搜索，以发现一个未用的信道或者以指定的信道来启动一个网络。路由器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。节点搜索网络中能提供完整服务的其它节点允许网络中的任何节点可对服务搜索进行初始化。将节点与可提供完整服务的其它节点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。,常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验,CC2530官方资料,CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。CC2530结合了TI公司的业界领先的ZigBee协议栈（ZStack），便于用户使用解决ZigBee问题。TI官网提供了软件包的下载：,CC2530官方软件实例包,用户可以从官网下载到CC2530-SoftwareExamples包，它是基于下面的架构来设计的：应用层：包含应用例程基础射频层：该层提供一个简单的传输协议硬件抽象层：提供与硬件相关的函数接口,软件例程包介绍,docs：该文件夹提供了CC2530软件例程包的使用说明文档ide：提供了CC2530的IAR工程，包括：light_switch：无线控制led灯的开关实验工程；per_test：丢包率检测实验工程；source：它包含两个文件夹：apps：提供了ide中三个例子的实验源码；components：提供公共库函数：basicrf：基础rf库函数common：公共类型及中断的相关定义radios：adc及时钟相关配置函数targets：节点板相关配置函数utils：实用工具库,软件API解析,light_switch.c：主程序basic.rf.c：无线通信程序uint8basicRfInit(basicRfCfg_t*pRfConfig)：初始化BasicRF的数据结构，设置模块的传输通道，短地址，PANIDuint8basicRfSendPacket(uint16destAddr,uint8*pPayload,uint8length)：给目的短地址发送指定长度的数据uint8basicRfPacketIsReady(void)：检查模块是否已经可以接收下一个数据uint8basicRfReceive(uint8*pRxData,uint8len,int16*pRssi)：接收来自BasicRF层的数据包,软件API解析,common：公共头文件及常用硬件宏定义interface：硬件头文件定义,软件API解析,hal_mcu.c：mcu初始化及复位操作voidhalMcuInit(void)：初始化muc时钟voidhalMcuWaitUs(uint16usec)：延时voidhalMcuReset(void)：复位mcuhal_rf.c：CC2530节点板射频接口函数uint8halRfInit(void)：RF初始化，使能自动应答及校验，使能RX及中断uint8halRfSetTxPower(uint8power)：设置传输TX输出功耗voidhalRfWriteTxBuf(uint8*pData,uint8length)、voidhalRfReadRxBuf(uint8*pData,uint8length)：读写bufferuint8halRfTransmit(void)：发送帧空闲信道voidhalRfReceiveOn(void)：开启接收功能,软件API解析,hal_board.c：板载部分部分设备初始化hal_button.c：按键驱动hal_digio.c：数字IO驱动hal_led.c：LED驱动,常用无线通信技术ZigBee无线技术TiCC2530软件接口BasicRF代码解析CC2530无线通信实验,BasicRF介绍,BasicRF由TI公司提供，它包含了IEEE802.15.4标准的数据包的收发功能但并没有使用到协议栈；它仅仅是让两个节点进行简单的通信，就是说BasicRF仅仅是包含IEEE802.15.4标准的一小部分而已。BasicRF特点：不会自动加入协议，也不会自动扫描其它节点，也没有组网指示灯没有协调器、路由器或者终端的区分，节点地位相等没有自动重发的功能,BasicRF帧格式：,BasicRF帧格式：,BasicRF工作过程,启动：确保外围器件没问题创建一个basicRfCfg_t的数据结构，并初始化其中的成员调用basicRfInit()函数进行协议的初始化,BasicRF工作过程,发送：创建一个buffer，把payload放入其中。Payl