第6章传感器网络协议的技术标准

1、本章内容本章内容6.1 技术标准的意义无线传感器无线传感器标准化标准化实现规模效益实现规模效益降低产品成本降低产品成本扩大市场扩大市场低成本低成本可大量部署可大量部署无线传感器网络无线传感器网络6.1 技术标准的意义两个公认成果是两个公认成果是IEEE 1451IEEE 1451接口标准和接口标准和IEEE IEEE 802.15.4802.15.4低速率无线个域网协议。低速率无线个域网协议。6.1 技术标准的意义6.2 IEEE 1451系列标准1 1、IEEE 1451IEEE 1451标准的诞生标准的诞生目前市场上在通讯方面所遵循的目前市场上在通讯方面所遵循的标准主要包括标准主要包括IE

2、EE 803.2(IEEE 803.2(以太以太网网) )、IEEE 802.4(IEEE 802.4(令牌总线令牌总线) )、IEEE FDDI(IEEE FDDI(光纤分布式数据界光纤分布式数据界面面) )、TCP/IP(TCP/IP(传输控制协议传输控制协议/ /互互联协议联协议) )等，以此来连接各种变等，以此来连接各种变送器（包括传感器和执行器），送器（包括传感器和执行器），要求所选的传感器要求所选的传感器/ /执行器必须执行器必须符合上述标准总线的有关规定。符合上述标准总线的有关规定。6.2 IEEE 1451系列标准 一般说来，这类测控系统的构成可以采用如图所一般说来，这类测控系

3、统的构成可以采用如图所示的结构来描述。示的结构来描述。 计算机计算机 路由器路由器 智能传感器节点智能传感器节点 其它网络系统其它网络系统 压力压力 智能传感器节点智能传感器节点 智能传感器节点智能传感器节点 智能传感器节点智能传感器节点 温度温度 阀门阀门 继电器继电器 控制网络总线控制网络总线 6.2 IEEE 1451系列标准现场总线标准不统一现场总线标准不统一现场总线标准都有自己规定的通信协议现场总线标准都有自己规定的通信协议互不兼容互不兼容IEEE 1451IEEE 1451标准族标准族 IEEE 1451 IEEE 1451系列标准是由系列标准是由IEEEIEEE仪器和测量协会的仪

4、器和测量协会的传感器技术委员会发起制订的传感器技术委员会发起制订的。6.2 IEEE 1451系列标准制订制订IEEE 1451IEEE 1451标准的目的标准的目的: :定义一定义一套通用套通用的通信的通信接口接口使变送器使变送器( (传感器传感器/ /执行器执行器) )能够独立能够独立于网络于网络解决不解决不同网络同网络之间的之间的兼容性兼容性问题问题互换性与互操作性互换性与互操作性6.2 IEEE 1451系列标准IEEE 1451.1IEEE 1451.1标准的智能变送器模型标准的智能变送器模型网络硬件网 络 协 议 网 络 协 议逻 辑 接 口变 送 器 逻 辑接 口 描 述支 持

5、NCAP的 逻 辑 接 口变 送 器 硬 件 接 口规 范 （ 比 如IEEE1451.2）应 用 软 件NCAP模 块微 处理器 硬件变 送 器接 口 应用 软 件I/O接 口硬 件变 送 器网络6.2 IEEE 1451系列标准 IEEE 1451IEEE 1451系列标准的组成结构如图所示，这些标准可系列标准的组成结构如图所示，这些标准可以在一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，以在一起应用，构成多种网络类型的智能传感器系统，也可以单独使用。也可以单独使用。6.2 IEEE 1451系列标准IEEE 1451.3IEEE 1451.31.3分布式多点分布式多点系统数字通系统数字通信

6、和变送器信和变送器电子数据表电子数据表格式格式1.4混合模式通混合模式通信协议和变信协议和变送器电子数送器电子数据表格式据表格式IEEE 1451.4IEEE 1451.41.5为智能传感为智能传感器的连接提器的连接提供无线解决供无线解决方案方案IEEE 1451.5IEEE 1451.5IEEE 1451.2IEEE 1451.21.2变送器与微变送器与微处理器通信处理器通信协议和变送协议和变送器电子数据器电子数据表格式表格式IEEE 1451IEEE 1451系列标准系列标准 6.2 IEEE 1451系列标准6.3 IEEE 802.15.4标准 IEEE 802.15.4 IEEE 8

7、02.15.4标准定义的标准定义的LR-WPANLR-WPAN网络具有如网络具有如下特点：下特点： (1) (1) 在不同的载波频率下实现在不同的载波频率下实现20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三种不同的传输速率；三种不同的传输速率； (2) (2) 支持星型和点对点两种网络拓扑结构；支持星型和点对点两种网络拓扑结构； (3) (3) 有有1616位和位和6464位两种地址格式，其中位两种地址格式，其中6464位地址是全位地址是全球惟一的扩展地址；球惟一的扩展地址； (4) (4) 支持冲突避免的载波多路侦听技术支持冲突避免的载波多路侦听技术(C

8、SMA-CA)(CSMA-CA)； (5) (5) 支持确认机制，保证传输可靠性。支持确认机制，保证传输可靠性。6.3.1 IEEE 802.15.4标准概述激活和去活激活和去活无线无线收发器收发器1CSMA/CACSMA/CA的空闲信道评估的空闲信道评估4发送链路质量指示发送链路质量指示3信道频率的选择信道频率的选择5数据发送与接收数据发送与接收6当前信道的能量检测当前信道的能量检测2IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准标准6.3.2 物理层信道的频段中心定义如下信道的频段中心定义如下( (其中其中k k表示信道编号表示信道编号) )： f fc c=868.3MHZ k

9、= 0=868.3MHZ k= 0 f fc c=906+2=906+2(k(k1)MHz1)MHz k=1,2 k=1,2，1010 f fc c=2405+5=2405+5(k(k11)MHz11)MHz k=11 k=11，1212，26266.3.2 物理层1 1、物理层服务规范、物理层服务规范物理层管理物理层管理实体服务访实体服务访问点问点无线射频服务访问点无线射频服务访问点物 理 层 数物 理 层 数据 服 务 接据 服 务 接入点入点物理层物理层物理层管物理层管理实体理实体物理层的物理层的个域网信个域网信息库息库6.3.2 物理层IEEE 802.15.4标准的标准的物理层参考模

10、型物理层参考模型2 2、物理层帧结构、物理层帧结构4字节字节1字节字节1字节字节变变 长长前导码前导码SFD帧长度帧长度(7位位) 保留位保留位(1位位)PSDU同步头同步头物理帧头物理帧头PHY负载负载IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 物理层的帧结构物理层的帧结构6.3.2 物理层1 1、MACMAC层服务规范层服务规范MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMAC通用部通用部分分子层子层M A C 层层管 理 实管 理 实体体M A C 层层的 个 域的 个 域网 信 息网 信 息库库PLME-SAP6.3.3 MAC子层IEEE 802.15.4 标准的标准的M

11、AC层组件接口层组件接口2 2、MACMAC层的帧结构层的帧结构 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4标准的标准的 MACMAC层的通用帧结构层的通用帧结构6.3.3 MAC子层16位位10/20/2变长变长2帧控制帧控制序列号序列号目标目标PAN标识标识目标地址目标地址源源PAN标标识识源地址源地址帧负载帧负载FCS地址域地址域MHRMAC负负载载MFR6.4 ZigBee协议标准1 1、ZigBeeZigBee的由来的由来 ZigBee ZigBee技术是一种面向自动化技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在价

12、格的无线网络方案。在ZigBeeZigBee方方案被提出一段时间后，案被提出一段时间后，IEEE 802.1IEEE 802.15.45.4工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作。最终最终ZigbeeZigbee联盟和联盟和IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4工作组决定合作共同制工作组决定合作共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为定一种通信协议标准，该协议标准被命名为“ZigBee”“ZigBee”。6.4.1 ZigBee概述通信速率低于蓝牙通信速率低于蓝牙不更换电池并且不充电的情况下不更换电池并且不充电的情况下正

13、常工作几个月甚至几年正常工作几个月甚至几年提供无线通信功能提供无线通信功能通信要求通信要求6.4.1 ZigBee概述数据数据Zigbee互联网互联网/语音语音802.11b 传输速率传输速率蓝牙蓝牙2 蓝牙蓝牙1 802.11a/HL2802.11g压缩视频文件压缩视频文件多通道多通道数字视频数字视频802.5.3/WIMEDIA传输距离6.4.1 ZigBee概述 协议芯片是协议标准的载体，协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种也是最容易体现知识产权的一种形式。形式。 目前市场上出现了较多的目前市场上出现了较多的ZigBeeZigBee芯片产品及解决方案，有芯片产品及解决方

14、案，有代表性的包括代表性的包括JennicJennic公司的公司的JN5121/JN5139JN5121/JN5139、ChipconChipcon公司的公司的CC2430/CC2431CC2430/CC2431（被（被TITI公司收购）公司收购）和和FreescaleFreescale公司公司MC13192MC13192、EmberEmber公司的公司的EM250EM250等系列的开发等系列的开发工具和芯片。工具和芯片。协议芯片协议芯片6.4.1 ZigBee概述2 2、ZigBeeZigBee协议框架协议框架 完整的完整的ZigBeeZigBee协议协议栈自上而下由应用层、栈自上而下由应用

15、层、应用汇聚层、网络层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组数据链路层和物理层组成。数据链路层可分为成。数据链路层可分为逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层(LLC)(LLC)和介质访问控制子层和介质访问控制子层(MAC)(MAC)。6.4.1 ZigBee概述 直接序列扩频直接序列扩频技术可使物理层的技术可使物理层的模拟电路设计变得模拟电路设计变得简单，且具有更高简单，且具有更高的容错性能，适合的容错性能，适合低端系统的实现。低端系统的实现。2.4GHz250kbps16信道915MHz40kbps10信道868MHz250kbps单信道 物理层采用直接序列扩频物理层采用直接序列扩频(DSS

16、S)(DSSS)技术，定义了三种技术，定义了三种流量等级：流量等级： 6.4.1 ZigBee概述 ZigBee ZigBee的拓扑结构的拓扑结构6.4.1 ZigBee概述 (1) (1) 数据传输速率低：数据率只有数据传输速率低：数据率只有10kbps10kbps250kbps250kbps，专注于低传，专注于低传输应用。输应用。 (2) (2) 有效范围小：有效覆盖范围有效范围小：有效覆盖范围101075m75m之间，具体依据实际发射之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。功率的大小和各种不同的应用模式而定。 (3) (3) 工作频段灵活：使用的频段分别为工作频段灵活：

17、使用的频段分别为2.4GHz2.4GHz、868MHz868MHz（欧洲）及（欧洲）及915MHz915MHz（美国），均为无需申请的（美国），均为无需申请的ISMISM频段。频段。 (4) (4) 省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，眠模式，ZigBeeZigBee可确保两节五号电池支持长达可确保两节五号电池支持长达6 6个月至个月至2 2年左右的使用年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。时间，当然不同应用的功耗有所不同。3 3、ZigBeeZigBee的技术特点的技术特点6.4.1 ZigBee概述 (

18、5) (5) 可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。可靠：采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突。 (6) (6) 成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用外使用ZigBeeZigBee协议可免专利费。协议可免专利费。 (7) (7) 时延短：设备搜索时延的典型值为时延短：设备搜索时延的典型值为30ms30ms，休眠激活时延的典型值，休眠激活时延的典型值是是15ms15ms，活动设备信道接入时延为，活动设备信道接入时延为15ms15ms。 (8) (8) 网络容量大：一个网络容量大：一个Zig

19、BeeZigBee网络可容纳多达网络可容纳多达254254个从设备和一个主个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达设备，一个区域内可同时布置多达100100个个ZigBeeZigBee网络。网络。 (9) (9) 安全：安全：ZigBeeZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。，应用层安全属性可根据需求来配置。6.4.1 ZigBee概述 网络层从功能上为网络层从功能上为IEEE 802.15.4 MACIEEE 802.15.4 MAC子子层提供支持，为应用层提供合

20、适的服务接口。层提供支持，为应用层提供合适的服务接口。为了实现与应用层的为了实现与应用层的接口，网络层从逻辑接口，网络层从逻辑上分为两个具备不同上分为两个具备不同功能的服务实体，分功能的服务实体，分别是数据实体和管理别是数据实体和管理实体。实体。6.4.2 网络层规范8位字节位字节22ll变长变长帧控制域帧控制域目标地址目标地址源地址源地址半径半径序列号序列号帧负载帧负载路由域路由域帧头帧头网络负载网络负载ZigBee网络层的帧结构网络层的帧结构 帧控制域：由帧控制域：由1616位组成，内容包括帧种类、寻址、排序域和其它位组成，内容包括帧种类、寻址、排序域和其它的控制标志位。的控制标志位。 目

21、标地址域：必备，有两个目标地址域：必备，有两个8 8位字节长，用来存放目标设备的位字节长，用来存放目标设备的1616位位网络地址或者广播地址网络地址或者广播地址(0 xffff)(0 xffff)。 源地址域：必备，有两个源地址域：必备，有两个8 8位字节长，用来存放发送帧设备自己的位字节长，用来存放发送帧设备自己的1616位网络地址。位网络地址。 半径域：必备，有一个半径域：必备，有一个8 8位字节长，用来设定传输半径。位字节长，用来设定传输半径。 序列号域：必备，有一个序列号域：必备，有一个8 8位字节长，在每次发送帧时改为加位字节长，在每次发送帧时改为加1 1。 帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况决定。帧负载域：该域长度可变，内容由