ZIGBEE无线传感网络

模块2：ZIGBEE技术及应用2.1ZIGBEE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2.1.2Zigbee无线传感器网络概述2.1.3Zigbee网络构成、特点及应用2.1.4IEEE802.15.4／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◦（Internetofthings）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-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（WirelessSensorNetworks）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-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(CyberPhysicalSystems)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《ITUInternetReports2005:TheInternetofThings》中正式提出IOT的概念。2008年该组织在《UbiquitousSensorNetworks》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。泛在网物联网传感网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、汇聚节点和管理节点。互联网和卫星EDCBA传感器节点监测区域汇聚节点任务管理节点用户传感器节点◦通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、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。传感器AC/DC处理器存储器网络MAC收发器能量供应模块传感器模块处理器模块无线通信模块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、无线收发数据成帧、帧检测、媒体访问、差错控制路由生成、路由选择数据流的传输控制一系列基于监测任务的应用层软件管理传感器节点如何使用能源检测并注册传感器节点的移动，维护到汇聚节点的路由平衡调度监测任务传输控制路由数据链路上层应用拓扑QoS能量/安全/移动网络管理物理时间同步定位依赖于数据传输通道，同时为网络协议各层提供信息支持QoS（QualityofService）服务质量-队列管理、优先级机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，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Internetofthings（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◦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（smartthings）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传输信息处理与控制应急管理后IP网络物流管理灾害监测战场监测建筑物监测农业管理RFID阅读器便携式RFID阅读器目录服务管理泛在Web服务感知环境建模与管理内容管理健康监测空间信息管理感知层感知层传感器网关接入网传感器节点传输层传输层服务管理层服务管理层应用层应用层接入网接入网接入网接入网传感器网关传感器网关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◦传感技术◦定位技术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◦传感器将物理世界中的物理量、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◦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（WirelessPersonalAreaNetwork）◦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（WirelessLocalAreaNetwork）◦802.11802.11a，802.11b，802.11g，802.11n无线城域网络（几公里）WMAN（WirelessMetropolitanAreaNetwork）◦WiMax(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess),即全球微波互联接入（802.16）无线广域网络（十公里）WWAN（WirelessWideAreaNetwork）◦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、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