ZigBee无线传感网络概述

Posted 2021-07-12 364.99°

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目录

• 1.ZigBee无线传感网络概述
• • 1.1.定义
  • 1.2.ZigBee无线传感网络的特点
• 2.ZigBee无线传感网络的组成
• • 2.1.ZigBee无线传感器网络的组成
  • 2.2.ZigBee无线传感网络系统结构
  • 2.3.ZigBee无线传感器网络工作流程
• 3.ZigBee无线传感网络的通信协议架构
• • 3.1.概述
  • 3.2.信道分析
  • 3.3.ZigBee网络号→PANID（网络ID）
  • 3.4.ZigBee的地址
  • 3.5.ZigBee地址的设备类型
• 4.ZigBee无线传感网络拓扑结构
• • 4.1.星型拓扑
  • 4.2.树状拓扑
  • 4.3.网状拓扑（Mesh拓扑）
• 5.ZigBee无线传感网络面临的技术挑战和趋势
• • 5.1.技术挑战
  • 5.2.发展趋势
• 6.ZigBee无线传感网络的应用

1.ZigBee无线传感网络概述

1.1.定义

由大量传感器节点通过无线通信技术构成的基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率的自组织多跳网络

1. 短距离无线通信技术标准：Wi-Fi、无线USB、蓝牙、红外无线技术
2. 三大技术：传感器、微机电、网络
3. 功能：感知、采集、处理、传输覆盖范围内感知对象的信息，并转发给用户
4. 以数据为中心的信息系统

1.2.ZigBee无线传感网络的特点

低功耗	低成本	时延短	数据传输速率低	网络容量大
工作周期较短、收发信息功耗低、休眠的工作模式	协议简单、所需的存储空间小	通信时延、从休眠到激活状态的时延都很短	10~250kbit/s，专注低传输应用、可靠性高	一个ZigBee设备可与254个设备相连；一个ZigBee网络可容纳65536个从设备和一个主设备；一个区域内可同时存在100个ZigBee网络
有效范围小	工作频段灵活	兼容性好	安全性高	协议套件紧凑而简单
10~200m	2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）	与现有的控制网络无缝集成；通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取；提供全握手协议	提供了数据完整新检查和鉴权功能；加密算法采用AES-128；各个应用可以灵活确定其安全属性	具体实现要求很低：套件需要8位微处理器（如8051），全协议套件需要32KB的ROM，最小协议套件需要4KB左右的ROM

六个状态

1. 睡眠状态：传感器、通信关闭、能量消耗最低
2. 感知状态：传感器开启、通信关闭、节点感知事件发生
3. 倾听状态：传感器开启、通信空闲
4. 接收状态：传感器开启、通信接受
5. 发送状态：传感器开启、通信发送
6. 长期睡眠状态：该节点能量处于阈值，不响应任何事件

ZigBee技术与其他无线通信技术参数的比较

2.ZigBee无线传感网络的组成

2.1.ZigBee无线传感器网络的组成

1. 路由节点

功能： 路径选择、数据转发

2. 传感器节点

功能： 负责检测区域内数据的采集和处理

组成： 电源模块（提供能量）、传感器模块（信息采集）、处理器模块（处理数据）、无线通信模块（节点通信交换采集）、嵌入式软件系统（重要支撑）

3. 网关/协调器（协议转换）

功能： 1.连接传感器网络、互联网等外部网络，实现几种通信协议之间的转换
       2.发布管理节点的检测任务，并把收集的数据汇聚转发到外部网络
       3.汇聚节点：增强功能的传感器节点，仅有无线通信接口的特殊网关设备

4. PC/上位机（数据管理中心）

功能： 1.负责从网络中获取所需要的信息
      2.可以对网络做出反馈、应用支撑技术操作

2.2.ZigBee无线传感网络系统结构

箭头表示可以通信

根据功能的完整性可分为FFD与RFD：

FFD全功能设备： 协调器、路由器和终端设备

相对较强的MCU，具有网络控制功能

一个FFD可以与多个RFD通信或多个FFD通信

RFD精简功能设备： 终端

简单控制、数据量小、资源消耗较少，可以采用廉价方案

自身之间不能直接通信，需借助FFD设备中转

2.3.ZigBee无线传感器网络工作流程

3.ZigBee无线传感网络的通信协议架构

3.1.概述

ZigBee以IEEE 802.15.4协议作为基础，使用 全球免费频段（ISM） 进行通信

IEEE 802.15.4工作组： 主要负责指定PHY（物理层）和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准
ZigBee联盟： 负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作

应用层： 基于检测任务，开发使用不同的应用层软件
传输层： 负责数据流的传输控制，协作维护数据流，保障通信质量
网络层： 路由与交换
数据链路层： 负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制，保证无线传感器网络中节点之间的链接
物理层： 数据的解调与调制，目标：低成本、低功耗、小体积

3.2.信道分析

频段的划分及其主要内容

ZigBee无线网络通信信道分析

ISM频段分布示意图

3.3.ZigBee网络号→PANID（网络ID）

1. ZigBee协议使用一个16bits的个域网络标识符（PANID）来标识一个网络（0x0000~0xFFFF）

一个ZigBee网络有且只能有一个PANID,由PAN协调器生成，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入哪个网络

避免干扰的方法：不同信道，不同PANID（网络ID）

2. Z-Stack允许使用两种程序控制方式配置PANID：固定或随机

ZDAPP_CONFIG_PAN_ID ≠ 0xFFFF
    PANID = ZDAPP_CONFIG_PAN_ID
ZDAPP_CONFIG PAN-ID = 0xFFFF
    协调器将根据自身的IEEE地址建立一个随机的PANID（0x0000~0x3FFF）

3. PANID一般在确定信道之后出现 。

功能：PANID针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络
拓扑结构：一般为Mesh或Cluster Tree

过程：协议器扫描信道→选择最优→确定信道→确定PANID→建立ZigBee网络→等待其他节点接入

4. 文件f8wConfg.cfg中可以设置一个0x0000~0x3FFF之间的一个值，协调器使用此值，作为它要启动的网络的PANID

3.4.ZigBee的地址

在ZigBee无线传感网络中，节点都有2个唯一的地址

长地址： 物理（IEEE或扩展）地址（64位），类似计算机网卡的MAC地址

短地址： 网络地址（16位）：标识不同的设备，在网络数据传输时指定目的地址

3.5.ZigBee地址的设备类型

1. 终端节点（End Device）

只负责环境的检测和数据信息的采集，一般数量较多，相互之间不能直接通信

2. 路由器节点（Router）

负责数据的转发，一个路由节点可以与若干个路由节点或终端节点通信

3. 协调器（Coordinator）

网络的控制中心，负责一个网络的建立，可以与此网络中的所有路由节点或终端节点通信

4.ZigBee无线传感网络拓扑结构

4.1.星型拓扑

两个终端节点之间进行通信必须通过协调器进行信息转发

中心化严重，协调器成为系统的瓶颈，安全隐患大

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4.2.树状拓扑

只有唯一的路由通道（无自愈能力）

信息的路由是由协议栈层处理的，整个路由过程对于应用层完全透明

注意：

1. 协调器和路由器可以包含自己的子节点
2. 终端节点不能有自己的子节点
3. 有同一个父节点的节点称为兄弟节点
4. 有同一个祖父节点的节点称为堂兄弟节点

树型拓扑通信规则：

1. 每一个节点都只能与其父节点和子节点进行通信
2. 如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点，然后再向下传递到目标节点

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4.3.网状拓扑（Mesh拓扑）

去中心化，自组织多跳网络，具有自愈能力

5.ZigBee无线传感网络面临的技术挑战和趋势

5.1.技术挑战

1. 能耗：无人值守、户外、长期部署
2. 实时性：问题及时反馈与处理
3. 成本：海量节点
4. 安全：无线、简单设计的要求
5. 协作：多种传感器、多种异构网络共存协调工作

5.2.发展趋势

1. 灵活、自适应的网络协议体系
2. 跨层设计
3. ZigBee标准规范
   
   

4.与其他网络的融合

6.ZigBee无线传感网络的应用

1. 环境监测
2. 安全防卫
3. 智能家居
4. 医疗护理
5. 目标跟踪与定位

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