无线传感器网络-第5章-传感器网络应用开发基础

1第5章传感器网络应用开发基础第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述5.1.2ZigBee技术体系5.1.3Z-Stack协议栈5.1.4SappWsn工程简介2第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述ZigBee技术发展历程ZigBee的前身是1998年由INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRFLite”技术。2000年12月成立了工作小组起草IEEE802.15.4标准。Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国英维思公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布加盟“Zigbee联盟”，以研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。3第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述2004年12月ZigBee1.0标准(又称为ZigBee2004)敲定，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。2005年9月公布ZigBee1.0标准并提供下载。在这一年里，华为公司和IBM公司加入了ZigBee联盟。但是基于该版本的应用很少，与后面的版本也不兼容。2006年12月进行标准修订，推出ZigBee1.1版(又称为ZigBee2006)。该协议虽然命名为ZigBee1.1，但是与ZigBee1.0版是不兼容的。4第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述2007年10月完成再次修订(称为ZigBee2007/PRO)，能够兼容之前的ZigBee2006版本，并且加入了ZibgeePRO部分，此时ZigBee联盟更加专注于以下三个方面：家庭自动化(HomeAutomation；HA)；建筑/商业大楼自动化(BuildingAutomation；BA)；先进抄表基础建设(AdvancedMeterInfrastructure；AMI)；5第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述ZigBee是一种开放式的基于IEEE802.15.4协定的无线个人局域网(WirelessPersonalAreaNetworks)标准。IEEE802.15.4定义了物理层和媒体接入控制层，而ZigBee则定义了更高层如网路层及应用层等。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。早期也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee技术。6第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述ZigBee可工作在2.14GHz(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10-75m的范围内,但可以继续增加。7第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述ZigBee具体如下技术特点：1.低功耗由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。2.低成本由于ZigBee模块的复杂度不高，ZigBee协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低。8第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述3.时延短通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。4.网络容量大一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。网状结构的ZigBee网络中可有65000多个节点。9第1节ZigBee协议栈原理5.1.1ZigBee概述5.可靠采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可进行重发。6.安全ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。10第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee设备类型1.ZigBee协调器（Coordinator）2.ZigBee路由器（Router）3.ZigBee终端设备（End-device）一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。11第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee协调器（Coordinator）它包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的，存储容量大、计算能力最强。它主要用于发送网络信标、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信息并且不断的接收信息。一旦网络建立完成,这个协调器的作用就像路由器节点。协调器选择一个信道和一个网络PANID，随后启动整个网络。12第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee路由器（Router）它执行的功能包括允许其它设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下电池供电终端的通信。通常,路由器全时间处在活动状态,必需持续供电。在树状拓扑中，允许路由器周期运行，因此这个情况下允许路由器电池供电。13第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee终端设备（End-device）一个终端设备对于维护这个网络设备没有具体的责任,所以它可以睡眠和唤配，看它自己的选择。因此它能作为电池供电节点。14第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee网络拓扑结构ZigBee支持三种自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(ClusterTree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。15第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系星型网状型簇状型网络协调器全功能设备(FFD,Router):可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信精简功能设备(RFD):只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。16第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系Mesh是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其它类型网络的通讯节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD).17第1节ZigBee协议栈原理5.1.2ZigBee技术体系ZigBee采用的路由算法ZigBee采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。18第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈地址类型ZigBee设备有两种类型的地址：64位IEEE地址（MAC地址），全球唯一，设备将在其生命周期内一直拥有它。MAC地址通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE维护和分配。16位网络地址，即短地址。当设备加入网络后分配短地址，在网络中唯一，用来在网络中鉴别设备和发送或接收数据。19第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈Z-Stack网络地址分配每个ZigBee设备加入网络时，从其父设备那里获得一个网络地址（短地址）MAX_DEPTH网络的最大深度，协调器深度为0。MAX_CHILDREN路由器或协调器节点最大个数。MAX_ROUTER决定路由器或协调器可以处理的具有路由功能的子节点的最大个数，是MAX_CHILDREN的一个子集，终端节点使用MAX_CHILDREN–MAX_ROUTER剩下的地址空间。20第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈Z-Stack网络地址分配兄弟节点之间的地址间隔Cskip的计算:Cm:一个父节点可拥有的最多子节点数；Rm:一个父节点可拥有的最多路由节点数；Lm:网络的最大深度；d:该设备深度。Rm1R*CmRmCm11Rm);1dLm(*Cm11dLmm)d(Cskip21第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈Cskip位置配置范例最多路由节点=4最多子节点=4最大深度=3CRRRRRRRRREAddr=0Addr=1Addr=22Addr=43Addr=64Addr=2Addr=23Addr=28Addr=65Addr=70Addr=6622第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈函数名功能NLME_GetShortAddr()获取该设备网络短地址NLME_GetExtAddr()获取64位扩展地址NLME_GetCoordShortAddr()获取父设备网络短地址NLME_GetCoordExtAddr()获取父设备64位扩展地址Z-Stack寻址寻址函数23第1节ZigBee协议栈原理5.1.3Z-Stack协议栈Z-Stack几种不同的寻址方式addrMode设为Addr16Bit，寻址是单播，数据包发给网络上单个已知地址的设备。addrMode设为AddrNotPresent，这是当应用不知道包的最终目的地址时采用的方式，目的地址在绑定表中查询，如果查到多个表项就可以发给多个目的地实现多播。addrMode设为AddrBroadcast表示向所有同网设备发包，此时，目的地址可以设为NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL(0xFFFF)和NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVRXON(0xFFFD)，前者是发给所有设备包括睡眠设备，后者不包括睡眠设备。24Z-Stack协议栈的文件夹APP：应用层目录，包含用户应用程序及接口，包括串口数据处理、无线接收数据处理、用户LCD显示处理、传感器数据读取和发送等。HAL：硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。MAC：MAC层目录，包含MAC层参数配置文件及MAC的LIB库的函数接口文件。MT：监控调试层：实现通过串口调试各层，与各层进行直接交互。NWK：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS层库的函数接口。OSAL：操作系统目录。第1节ZigBee协议栈原理5.1.4SappWsn工程25Z-Stack协议栈的文件夹Profile：AF(Applicationwork)层目录，包含AF层处理函数文件。Security：安全层目录，安全层处理函数，如加密函数等Services：地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。Tools：工程配置目录，包括空间划分及ZStack相关配置信息。ZDO（ZigBeeDeviceObjects）：ZDO目录。ZMac：MAC层目录，包括MAC层参数配置及MAC层LIB库函数回调处理函数。ZMain：主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。Output：输出文件目录，是EW8051IDE自动生成的。第1节ZigBee协议栈原理5.1.4SappWsn工程26Z-Stack选项设置通道设置第1节ZigBee协议栈原理5.1.4SappWsn工程