第6章-传感器网络协议的技术标准

第6章传感器网络协议的技术标准本章内容6.1技术标准的意义6.2IEEE1451系列标准6.3IEEE802.15.4标准6.3.1IEEE802.15.4标准概述6.3.2物理层6.3.3MAC子层6.3.4符合IEEE802.15.4标准的传感器网络实例本章内容6.4ZigBee协议标准6.4.1ZigBee概述6.4.2网络层规范6.4.3ZigBee网络系统的设计开发6.4.4符合ZigBee规范的传感器网络实例6.1技术标准的意义无线传感器标准化实现规模效益降低产品成本扩大市场低成本可大量部署无线传感器网络6.1技术标准的意义两个公认成果是IEEE1451接口标准和IEEE802.15.4低速率无线个域网协议。6.1技术标准的意义6.2IEEE1451系列标准1、IEEE1451标准的诞生目前市场上在通讯方面所遵循的标准主要包括IEEE803.2(以太网)、IEEE802.4(令牌总线)、IEEEFDDI(光纤分布式数据界面)、TCP/IP(传输控制协议/互联协议)等，以此来连接各种变送器（包括传感器和执行器），要求所选的传感器/执行器必须符合上述标准总线的有关规定。6.2IEEE1451系列标准一般说来，这类测控系统的构成可以采用如图所示的结构来描述。计算机路由器智能传感器节点其它网络系统压力智能传感器节点智能传感器节点智能传感器节点温度阀门继电器控制网络总线6.2IEEE1451系列标准IEEE1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起制订的。6.2IEEE1451系列标准制订IEEE1451标准的目的:定义一套通用的通信接口使变送器(传感器/执行器)能够独立于网络解决不同网络之间的兼容性问题互换性与互操作性6.2IEEE1451系列标准IEEE1451.1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6.2IEEE1451系列标准IEEE1451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，也可以单独使用。6.2IEEE1451系列标准IEEE1451.31.3分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式1.4混合模式通信协议和变送器电子数据表格式IEEE1451.41.5为智能传感器的连接提供无线解决方案IEEE1451.5IEEE1451.21.2变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格式IEEE1451系列标准6.2IEEE1451系列标准6.3IEEE802.15.4标准IEEE802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点：(1)在不同的载波频率下实现20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率；(2)支持星型和点对点两种网络拓扑结构；(3)有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址；(4)支持冲突避免的载波多路侦听技术(CSMA-CA)；(5)支持确认机制，保证传输可靠性。6.3.1IEEE802.15.4标准概述激活和去活无线收发器1CSMA/CA的空闲信道评估4发送链路质量指示3信道频率的选择5数据发送与接收6当前信道的能量检测2IEEE802.15.4标准6.3.2物理层信道的频段中心定义如下(其中k表示信道编号)：fc=868.3MHZk=0fc=906+2×(k－1)MHzk=1,2，…，10fc=2405+5×(k－11)MHzk=11，12，…，266.3.2物理层1、物理层服务规范物理层管理实体服务访问点无线射频服务访问点物理层数据服务接入点物理层物理层管理实体物理层的个域网信息库6.3.2物理层IEEE802.15.4标准的物理层参考模型2、物理层帧结构4字节1字节1字节变长前导码SFD帧长度(7位)保留位(1位)PSDU同步头物理帧头PHY负载IEEE802.15.4物理层的帧结构6.3.2物理层1、MAC层服务规范MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMAC通用部分子层MAC层管理实体MAC层的个域网信息库PLME-SAP6.3.3MAC子层IEEE802.15.4标准的MAC层组件接口2、MAC层的帧结构IEEE802.15.4标准的MAC层的通用帧结构6.3.3MAC子层16位10/20/2变长2帧控制序列号目标PAN标识目标地址源PAN标识源地址帧负载FCS地址域MHRMAC负载MFR6.4ZigBee协议标准1、ZigBee的由来ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在ZigBee方案被提出一段时间后，IEEE802.15.4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Zigbee联盟和IEEE802.15.4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“ZigBee”。6.4.1ZigBee概述Z通信速率低于蓝牙不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年提供无线通信功能通信要求6.4.1ZigBee概述数据Zigbee互联网/语音802.11b传输速率蓝牙2蓝牙1802.11a/HL2＆802.11g压缩视频文件多通道数字视频802.5.3/WIMEDIA传输距离6.4.1ZigBee概述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形式。目前市场上出现了较多的ZigBee芯片产品及解决方案，有代表性的包括Jennic公司的JN5121/JN5139、Chipcon公司的CC2430/CC2431（被TI公司收购）和Freescale公司MC13192、Ember公司的EM250等系列的开发工具和芯片。协议芯片6.4.1ZigBee概述2、ZigBee协议框架完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。数据链路层可分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。应用层应用汇聚层网络层LLC数据链路层MAC物理层6.4.1ZigBee概述直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单，且具有更高的容错性能，适合低端系统的实现。2.4GHz250kbps16信道915MHz40kbps10信道868MHz250kbps单信道物理层采用直接序列扩频(DSSS)技术，定义了三种流量等级：6.4.1ZigBee概述ZigBee的拓扑结构6.4.1ZigBee概述(1)数据传输速率低：数据率只有10kbps～250kbps，专注于低传输应用。(2)有效范围小：有效覆盖范围10～75m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。(3)工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为无需申请的ISM频段。(4)省电：由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池支持长达6个月至2年左右的使用时间，当然不同应用的功耗有所不同。3、ZigBee的技术特点6.4.1ZigBee概述(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。(6)成本低：由于数据传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用ZigBee协议可免专利费。(7)时延短：设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。(8)网络容量大：一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。(9)安全：ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。6.4.1ZigBee概述网络层从功能上为IEEE802.15.4MAC子层提供支持，为应用层提供合适的服务接口。为了实现与应用层的接口，网络层从逻辑上分为两个具备不同功能的服务实体，分别是数据实体和管理实体。6.4.2网络层规范8位字节22ll变长帧控制域目标地址源地址半径序列号帧负载路由域帧头网络负载ZigBee网络层的帧结构①帧控制域：由16位组成，内容包括帧种类、寻址、排序域和其它的控制标志位。②目标地址域：必备，有两个8位字节长，用来存放目标设备的16位网络地址或者广播地址(0xffff)。③源地址域：必备，有两个8位字节长，用来存放发送帧设备自己的16位网络地址。④半径域：必备，有一个8位字节长，用来设定传输半径。⑤序列号域：必备，有一个8位字节长，在每次发送帧时改为加1。⑥帧负载域：该域长度可变，内容由具体情况决定。6.4.2网络层规范1、系统设计事项(1)ZigBee协议栈ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee协议栈的MAC和物理层基础上进行的。协议栈分有偿和无偿两种。无偿的协议栈能够满足简单应用开发的需求，但不能提供ZigBee规范定义的所有服务，有些内容需要用户自己开发。例如，Microchip公司为产品PICDEMO开发套件提供了免费的MPZigBee协议栈；Freescale公司为产品13192DSK套件提供了Smac协议栈。6.4.3ZigBee网络系统的设计开发软件设计过程建立ProfileProfile是关于逻辑器件和它们的接口的定义。初始化它包括ZigBee协议栈的初始化和外围设备的初始化。编写应用层代码ZigBee设备都需要设置一个变量来保存协议栈当前执行的原语。6.4.3ZigBee网络系统的设计开发