ZIGBEE无线传感网络

1、 模块2：ZIGBEE技术及应用2.1 ZIGBEE无线传感网络 9:00-11:30主讲老师：罗汉江 辅讲老师：任益芳、黄林峰2.1.1 从传感网到物联网2.1.2 Zigbee无线传感器网络概述2.1.3 Zigbee网络构成、特点及应用2.1.4 IEEE802.15.4 zigBee无线传感器网络通信标准2.1.5 小结2.1.1.1 与无线传感器网络相关的几个概念2.1.1.2 无线传感器网络概述2.1.1.3 物联网概述IOT （Internet of things）原始含义是物与物相联结的网络。最早的IOT网络，实际上就是RFID网络，该概念最早来自于美国麻省理工学院的Auto-

2、ID中心研究人员。他们最早提出将RFID与互联网相结合，实现在任何地点、任何时间，对任何物品进行标识和管理。随之发展起来的如欧盟的产品电子代码EPC服务于物流领域，主要目的在于增加供应链的可视、可控性，偏重于对物品的识别及流动控制和管理。与此同时，无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）和M2M技术得到了飞速发展。无线传感器网络源于美国军方对战场的监控与预警系统的研究，后来逐步迁移到民用研究。无线传感器网络主要侧重于对目标、环境和物体状态的监测与控制。最早来自于诺基亚，其含义有Machine-to-Machine、Man-to-Machine，或者Machine

3、-to-Man等，其侧重点在于无线数据通信和信息技术的无缝连接，从而实现在其基础上的无线业务流程的自动化、集成化，并最终为用户创造增值服务。美国基金委员会近几年提出CPS(Cyber Physical Systems)研究计划， 该计划通过3C技术即计算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)的有机融合与深度协作，实现各种应用系统的实时感知、动态控制和信息服务。2005年国际电信联盟远程通信标准化组(ITU-T)在ITU Internet Reports 2005: The Internet of Things中正式提出IOT的概念。2008年该组

4、织在Ubiquitous Sensor Networks中进一步提出泛在传感器网络概念（广义传感网），并阐述为通过传感器、执行器、RFID等对物理世界进行感知和标识，然后依靠网络将信息进行传输和互联，再进行信息处理和信息存储，最后实现具体应用。又简称为U网络，指基于个人和社会的需求，利用现有的网络技术和新的网络技术，实现人与人、人与物、物与物之间按需进行的信息获取、传递、存储、认知、决策、使用等服务，网络超强的环境感知、内容感知及其智能性，为个人和社会提供泛在的、无所不含的信息服务和应用。通过条码与二维码、射频标签（RFID）、全球定位系统（GPS）、红外感应器、激光扫描器、传感器网络等自动标

5、识与信息传感设备及系统，按照约定的通信协议，通过各种局域网、接入网、互联网将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络。 泛在网泛在网 物联网物联网传感网传感网2.1.1.1 与无线传感器网络相关的几个概念2.1.1.2 无线传感器网络概述2.1.1.3 物联网概述无线传感器网络是由部署在监测区域内部或附近的大量廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成的“智能”测控网络。无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点传感器节点、汇聚节点和管理节点管理节点。传感器节点 通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、

6、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能。汇聚节点 处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络和外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集到的数据转发到外部网络上。管理节点 对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成。应用层传输层网络层数据链路层物理层能量管理平台移动管理平台任务管理平台信号调制、无线收发信号调制、无线收发数据成帧、数据成帧、帧帧检测、媒检测、媒体访问、差错控制体访问、差错控制路由生成、路由选择路由生成

7、、路由选择数据流的传输控制数据流的传输控制一系列基于监测任一系列基于监测任务的应用层软件务的应用层软件管理传感器节点管理传感器节点如何使用能源如何使用能源检测并注册传感器节点的移检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由动，维护到汇聚节点的路由平衡调度监测任务平衡调度监测任务传输控制传输控制 路路 由由数据链路数据链路 上上 层层 应应 用用拓拓扑扑QoS能能量量 /安安全全 /移移动动网网络络管管理理物物 理理时间同步时间同步定位定位依赖于数据传输通道，依赖于数据传输通道，同时为网络协议各层同时为网络协议各层提供信息支持提供信息支持QoS（Quality of Service）服务质量

8、）服务质量-队列管理、优先级机队列管理、优先级机制或带宽预留等机制制或带宽预留等机制1、 大规模网络 1）分布在很大的区域 2）节点部署很密集2、 自组织性网络 传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多条无线网络系统。3、 动态性网络 适应如下变化： 1）传感器节点出现故障或失效。 2）无线通信链路带宽变化，甚至时断时通。 3）传感器、感知对象、观察者这三要素可能具有移动性。 4）新节点的加入。4、 可靠的网络 传感器网络的软硬件具有鲁棒性和容错性。5、 以数据为中心的网络 传感器网络是任务型的网络。用户直接将所关心的事件通告给网络

9、，网络在获得指定事件的信息后回报给用户。 以数据本身作为查询或传输线索。具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域远程控制等领域。2.1.1.1 与无线传感器网络相关的几个概念2.1.1.2 无线传感器网络概述2.1.1.3 物联网概述 2.1.1.3.1 物联网基本概念 2.1.1.3.2 物联网技术 2.1.1.3.3 应用领域Internet of things （IOT） 通俗讲，物联网就是使物体上网 将物体通过网络（互联网、局域网、有线网、无线网等）连接起来，创造一个满足我们需要的智能化的世界物联网比较正式定义 通过条码与二

10、维码、射频标签（RFID）、全球定位系统（GPS）、红外感应器、激光扫描器、传感器网络等自动标识与信息传感设备及系统，按照约定的通信协议，通过各种局域网、接入网、互联网将物与物、人与物、人与人连接起来，进行信息交换与通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络物 实体物（如一块牛肉、一个快件、一座大桥） 虚拟物（一个工厂的排放污染物监测、企业仓库的火警预警与自动消防等）网 类型：有线网、无线网 原因： 信息传输（如无线控制居室灯泡的亮灭） 通过物体之间的信息交互，形成更大的虚拟智慧物体或智慧环境 如一个人在智能家居中与环境的智能交互 一个城市智能交通系统的运作与管理物联网的特点

11、 对周围世界实现“可知、可思、可控” 可知：能够感知 可思：一定智能的判断 可控：对外产生及时的影响物联网的本质 是世界信息化新的推进，实现一个智慧化世界 生活更舒适、生产更高效 网络传输信息，信息承载智慧有线网、无线网、互联网 -传感网、物联网、泛在网 信息的交互，不再局限于人与人从人与人的网络交互到人与人、人与物、物与物的信息交互预计到2020年，全球可以网络连接的智能物体（smart things）将达到500亿个（人均6个）2.1.1.3.1 物联网基本概念2.1.1.3.2 物联网技术2.1.1.3.3 应用领域物联网技术处理的信息流物联网的基本构架物联网关键技术 感知与识别技术 物

12、联网组网与互联技术 物联网服务与管理技术 物联网应用开发技术物联网要实现 全面感知、可靠传输、智能处理、自动控制信息感知信息感知信息传输信息传输信息处信息处理与控理与控制制物联网的三层分法 感知层、网络层、应用层感知与识别技术物联网组网与互联技术物联网服务与管理技术物联网应用开发技术通过传感器技术、RFID技术、二维码、红外设备等实现对物体的信息感知、定位和识别主要包括 自动识别技术自动识别技术 传感技术传感技术 定位技术定位技术自动识别技术自动识别技术 条码识别技术 射频识别技术（RFID等） 语音识别技术 生物特征识别技术 图象识别技术 磁识别技术等 传感技术传感技术 传感器将物理世界中的

13、物理量、化学量、生物量转化成供处理的数字信号 如温度、压力、流量、位移、速度等 定位技术定位技术 可分为卫星定位、无线电波定位、传感定位等 卫星定位技术有GPS、北斗卫星导航定位系统 蜂窝移动通信系统的小区定位技术 物联网感知层定位 如利用RFID传感，车牌、集装箱图像识别感知物体的位置 物联网网络层定位等物联网组网的作用 将物体通过网络连接，实现感知和控制信息的传输 通过网络将分散多处的物体连接在一起，形成一个虚拟的物体物联网网络的分类 传感网+专网+公网（Internet） 无线网络+有线网络主要介绍内容 物联网无线网络技术 互联网接入技术无线个域网络 （几十米） WPAN（Wireles

14、s Personal Area Network） BlueTooth网络技术（802.15.1）ZigBee网络技术（802.15.4）ZigBee通讯速率比较低（250K/S），通讯距离较小，功耗较小UWB网络技术（ 802.15.3 ）无线局域网络（100米左右） WLAN （Wireless Local Area Network） 802.11802.11a，802.11b，802.11g，802.11n 无线城域网络 （几公里） WMAN （Wireless Metropolitan Area Network ）WiMax (Worldwide Interoperability for

15、 Microwave Access),即全球微波互联接入（802.16）无线广域网络 （十公里） WWAN（Wireless Wide Area Network）GPRS, 3G, 3.5G, 4G将物联网通过互联网、广电网络、移动通信网络或者下一代网络（NGN网络），接入远程网络，实现数据传输接入方式 固定接入 IPv4地址 局部网络的sink节点接入，外部网络不能直接访问网络中的节点 地址面临枯竭 IPv6接入 IPv6 让地球上每粒沙子都有一个地址 物联网的发展将加速IPv6引入 IPv6不能够直接应用到传感器设备中，而是需要对IPv6协议栈和路由机制进行相应的精简，以满足对网络低功耗、

16、低存储容量和低传送速率的要求 6LowPAN和RoLL 移动接入 车载网 智能医疗网络 手机网络实现物联网的各种应用服务与管理技术 物联网操作系统 中间件技术 物联网数据库系统 云计算技术 语义网技术 数据挖掘、智能决策 物联网信息安全与隐私保护 物联网工程开发技术 物联网工程设计 物联网嵌入式开发 智能信息处理 系统集成开发物联网工程开发流程 需求分析 架构设计 组件设计 感知层硬件、软件设计 通信协议设计 应用层监控软件设计2.1.1.3.1 物联网基本概念2.1.1.3.2 物联网技术2.1.1.3.3 应用领域物联网应用面广，渗透性强三大应用领域：大众服务、工农业应用、公共管理 智能交

17、通、消防、智能建筑、智能家居、智能环保、灾害监测避免、智慧医疗、智慧老人护理、智能物流、食品安全追溯 智能工业控制、智能电力、智能水利、精准农业 智慧校园、智能安防、军事安全具有服务于各行业的性质，需要和行业和产业结合智能交通 利用物联网技术提供面向交通运输的服务系统 交通更加智能、安全、节能、高效 治堵，缓解交通压力 更安全十一五以来道路交通事故死亡人数年均7.6万人 农业监测控制和管理 自动灌溉系统 我国农业用水农业用水量约占总用水量的80% 左右 传感器监测土壤湿度，自动信息分析，电磁阀自动控制灌溉（滴灌、喷雾等） 智能施肥 农产品生产环境监控 温室大棚等环境监控土壤水分监测物联网技术监

18、管瓜菜质量 利用3G技术、互联网技术、二维条码、RFID溯源技术等，建设田头瓜菜质量监管物联网身份猪 全国动物标识及疫病可追溯体系猪的身份证： 一出生就戴上二维码耳标，记录出生地、免疫注射、检疫、运输等信息，传输到中央数据库 当进入屠宰场时，工作人员扫描二维码耳标，查看其防疫信息和检疫信息，然后按程序实施屠宰检疫，并登记、保存摘除的二维码耳标智能物流系统 采用物联网技术，结合电子商务方式运作的现代物流服务体系 物流作业的实时信息采集、分析和处理示例：智能物流车 整合计算机、通信、网络等技术，打造的集数据采集、智能监控、过程控制于一体的智能物流专用车辆 2.1.1 从传感网到物联网2.1.2 Z

19、igbee无线传感器网络概述2.1.3 Zigbee网络构成、特点及应用2.1.4 IEEE802.15.4 zigBee无线传感器网络通信标准2.1.5 小结2.1.2.1 什么是Zigee网络？2.1.2.2 无线传感器网络的短距离无线通信方式2.1.2.3 Zigbee 版本2.1.2.4 Zigbee 芯片ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订媒体存取控制层（MAC）与物理层（P

20、HY）在低速无线个人局域网络（Low-Rate Wireless Personal and Network：LR-WPAN）的规范，并在2003年5月通过IEEE 802.15.4标准。 ZigBee联盟是2002年10月由Honeywell、Invensys、Mitsubishi、Motorola与Philips共同成立的，ZigBee联盟负责制订网络层、安全管理、应用界面规范，并且须互通测试，2004年12月正式定案Zigbee 1.0（ZigBee-2004），但大部分厂商则以2005年9月公布的标准作为规范，来制作ZigBee协议堆栈（如TI的Z-stack协议栈）。2006年10月，

21、ZigBee联盟制定完成ZigBee 2006（又称ZigBee 1.1），并于2007年1月开放网络下载。此外，ZigBee 2007（又称ZigBee Pro）的初稿也在2006年11月完成。 德州仪器2012年推出Wi-Fi CC3000（包含完整的TCP/IP通信栈和Wi-Fi驱动 ），推进物联网发展 wifi蓝牙zigbee电池寿命 几小时 几天几年复杂性 非常复杂 复杂简单节点/主节点 32 7 65540覆盖范围 100-300m10m70-300m 速率 11mbps 1M 250kbps 有效带宽 5M-7M 700 k 100k 安全 一般高高应用 电脑连网 电缆取代 监控

22、和控制 多个版本ARM推出全球最节能处理器（32位，CC2430的MUC8051是8位）Cortex-M0+：ARM于14日宣布，推出全球能源效率最高的微处理器Cortex-M0+，锁定家用电器、医疗监测、电表、照明电力与马达控制装置等各种广泛应用的智慧感测器与智慧控制系统，提供超低耗电、低成本的微控制器（MCU）2.1.1 从传感网到物联网2.1.2 Zigbee无线传感器网络概述2.1.3 Zigbee网络构成、特点及应用2.1.4 IEEE802.15.4 zigBee无线传感器网络通信标准2.1.5 小结在ZigBee网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Rou

23、ter(路由器)和End-Device(终端设备) 协调器（Coordinator） 路由器（Router） 终端节点（End-Device）ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个End_Device组成ZigBee 网络支持星状、树状和网状三种网络拓扑结构，如下图所示，分别依次是星状网络，树（簇）状网络和网状网络。数据传输速率低：数据传输速率低：10KB/秒秒250KB /秒，专注于低传输应用秒，专注于低传输应用功耗低：功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用号电池可使用624个月个月 成本低：成本低：ZigBee数据传输

24、速率低，协议简单，所以大大降低了成本数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本 网络容量大：网络容量大：网络可容纳网络可容纳65,00065,000个设备。个设备。时延短：时延短：通常时延都在通常时延都在15ms30ms安全：安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）有效范围小：有效范围小：有效覆盖范围有效覆盖范围1075米，具体依据实际发射功率大小和各米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定种不同的应用模

25、式而定工作频段灵活：工作频段灵活：使用频段为使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和（欧洲）和915MHz（美（美国），均为免执照国），均为免执照（免费）的（免费）的频段频段传输可靠：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。时隙。低速无线设备 TV VCR DVD CD 鼠标鼠标 键盘键盘 操作杆操作杆 保安保安 HVAC 照明照明 门禁门禁 玩具玩具 游戏器具游戏器具 监视监视 诊断诊断 传感器传感器工业、农业和商业消费电子消费电子个人健康监护 监视监视 传感器传感器 自动化自动化控制控制玩具和玩具和游戏游戏家

26、庭家庭自动化自动化PC 机的机的外围设备外围设备2.1.1 从传感网到物联网2.1.2 Zigbee无线传感器网络概述2.1.3 Zigbee网络构成、特点及应用2.1.4 IEEE802.15.4 zigBee无线传感器网络通信标准2.1.5 小结IEEE802.15.4是IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会 ）针对低速率无线个域区域网（Wireless personal area networks）制定的无线通信标准（仅仅制定了物理层规范和MAC层规范等）Zigbee协议是Zigbee工业联盟在

27、IEEE802.15.4的基础上研发的具有组网、安全和应用软件方面的通信技术（制定了网络层NWK规范、应用层APL规范等）IEEE 802.15.4标准的主要特征：实现20kbps、40kbps、100kbps、250kbps四种不同的传输速率；支持星型和点到点两种拓扑结构；在网络中采取两种地址方式：16位地址和64位地址。其中16位地址是由协调器分配的，64位地址是全球唯一的扩展地址；采用可选的时槽保障（Guaranteed Time Slots，GTS）机制；采用带冲突避免的载波侦听多路访问（Carrier sense multiple access with collision avoi

28、dance，CSMA-CA）的信道访问机制；支持ACK机制以保证可靠传输；低功耗机制；信道能量检测（Energy Detection，ED）；链路质量指示（Link quality indication，LQI）；工作在ISM频段上，其中在2450 MHz 波段上有16个信道，在915MHz波段上有30个信道，在868MHz上有3个信道；数据安全策略。IEEE 802.15.4 协议栈架构基于开放系统互连模型（OSI） 每一层都实现部分通信功能，并向高层提供服务 物理层由射频收发器和底层的控制模块组成 数据链路层的MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通讯的服务接口 特定服务的聚合子层（SSC

29、S）为IEEE 802.15.4的MAC层接入IEEE 802.2标准中定义的链路控制子层（LLC）子层提供聚合服务 LLC为应用层提供链路层服务信道分配和调制方式频段频段 (MHz)(MHz)扩频参数扩频参数数据参数数据参数片速率片速率 (kchip/s(kchip/s) )调制方式调制方式比特速比特速率率 (kb/s)(kb/s)符号速率符号速率 (ksymbol(ksymbol/s)/s)符号符号868868.6300BPSK2020二进制902928600BPSK4040二进制868868.6*400ASK25012.520-bitSPSS902928*1600ASK250505-bi

30、tSPSS868868.6*400O-QPSK1002516-ary正交902928*1000O-QPSK25062.516-ary正交24002483.52000O-QPSK25062.516-ary正交IEEE802.15.4 LR-WPAN规定，WSN网络拓扑结构可分为两种：星形和点对点拓扑（树形、Mesh）IEEE 802.15.4标准的MAC子层功能 采用CSMA-CA（载波侦听、冲突避免的多路访问）机制来访问物理信道； 协调器对网络的建立与维护； 支持PAN网络的关联（association）与取消关联（disassociation）； 协调器产生信标帧，普通设备根据信标帧与协调器

31、同步； 在两个MAC实体之间提供数据可靠传输； 数据的发送，接收与重传； 支持安全机制；ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZigBee联盟预测的ZigBee主要应用领域包括工业控制、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。文本文本因特网因特网/声音声音压缩图片压缩图片 多通道数字图像多通道数字图像低低 高高短程短程 长程长程遵循IEEE802.15.4协议。物理层是协议

32、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）。 频率频率頻帶頻帶覆篕覆篕范围范围 数据传输数据传输速度速度 信道数量信道数量2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM全球全球 250 kbps 250 kbps 16 16915 MHz ISM915 MHz ISM美洲美洲 40 kbps40 kbps 10 10868 MHz868 MHz ISM ISM歐洲歐洲 20 kbps20 kbps 1 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

33、，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位地址寻址网络协调器：网络协调器：包含所有的网络消息，是包含所有的网络消息，是3 3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。的路由消息、不断地接收信息。全功能设备全功能设备(FFD)(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的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（或是精简