WSN與Zigbee概述教學講解課件

Zigbee網(wǎng)絡技術及應用

哈爾濱商業(yè)大學管理學院Zigbee網(wǎng)絡技術及應用

哈爾濱商業(yè)大學管理學院考核方式平時成績（20分）期中成績（20分）期末成績（卷面*0.6）參考書Zigbee技術與實訓教程——基于CC2530的無線傳感網(wǎng)技術，姜仲等，清華大學無線龍，Zigbee無線網(wǎng)絡原理，冶金工業(yè)金純，Zigbee技術基礎及案例分析，國防工業(yè)課程說明考核方式課程說明第1章WSN與Zigbee概述第1章WSN與Zigbee概述本講內(nèi)容理解Zigbee與無線傳感器網(wǎng)絡的關系掌握Zigbee技術概念理解Zigbee技術特點了解常用Zigbee芯片的特點了解幾種常見的Zigbee協(xié)議棧掌握Zigbee軟硬件開發(fā)平臺的建立和安裝本講內(nèi)容理解Zigbee與無線傳感器網(wǎng)絡的關系物聯(lián)網(wǎng)（IOT）-感知網(wǎng)絡早期物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。2011年，工信部發(fā)表的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書》對物聯(lián)網(wǎng)的定義為：“物聯(lián)網(wǎng)是通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的拓展應用和網(wǎng)絡延伸，它利用感知技術與智能裝置對物理世界進行感知識別，通過網(wǎng)絡傳輸互聯(lián)，進行計算、處理和知識挖掘，實現(xiàn)人與物、物與物信息交互和無縫鏈接，達到對物理世界實時控制、精確管理和科學決策的目的?！?/p>

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）-感知網(wǎng)絡早期物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別（1.WSN無線傳感網(wǎng)絡的定義是：大規(guī)模，無線、自組織、多跳、無分區(qū)、無基礎設施支持的網(wǎng)絡．其中的節(jié)點是同構(gòu)的、成本較低、體積較小，大部分節(jié)點不移動，被隨意撒布在工作區(qū)域，要求網(wǎng)絡系統(tǒng)有盡可能長的工作時間。在通信方式上，雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網(wǎng)絡使用，為明確起見，一般稱無線傳感器網(wǎng)絡(WSN．WirelessSensorNetwork)。1.WSN無線傳感網(wǎng)絡的定義是：大規(guī)模，無線、自組織、多跳WSN通信體系結(jié)構(gòu)WSN通信體系結(jié)構(gòu)WSN傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)WSN傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)WSN發(fā)展歷程第一階段：20世紀70年代越戰(zhàn)時期的傳感器網(wǎng)絡胡志明小道的熱帶樹第二階段：20世紀80年代至90年代美軍方的分布式傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(tǒng)第三階段：21世紀至今，自組織、低功耗節(jié)點網(wǎng)絡WSN發(fā)展歷程第一階段：20世紀70年代越戰(zhàn)時期的傳感器網(wǎng)絡WSN的特點（1）硬件資源有限（2）電源容量有限（3）通信能量有限（4）計算能力有限（5）節(jié)點數(shù)量眾多，分布密集（6）自組織，動態(tài)網(wǎng)絡（7）以數(shù)據(jù)為中心（8）多跳路由（9）節(jié)點出故障的可能性較大WSN的特點（1）硬件資源有限WSN關鍵技術（1）時間同步技術（定期同步）（2）定位技術（GPS+多點協(xié)作定位算法）（3）分布式數(shù)據(jù)管理和信息融合（4）安全技術（5）精細控制、深度嵌入的操作系統(tǒng)技術（Tinyos,vxworks,μCLinux,μCOS）（6）能量工程(獲取、存儲)WSN關鍵技術（1）時間同步技術（定期同步）WSN應用智能交通智能農(nóng)業(yè)醫(yī)療健康工業(yè)控制軍事應用災難救援與臨時場合家庭應用其他（空間探索、物流、環(huán)境監(jiān)測、測量）WSN應用智能交通無線傳感器通信標準1998年，IEEE802.15工作組成立,從事WPAN標準化工作。它的任務是開發(fā)一套適用于短程無線通信的標準，分為4個工作組：

TG1:中速、近距離藍牙工作組,手機，PDA

TG2:共存工作組，解決802.11和802.15之間共存的問題，WLAN。

TG3:高速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡，個人多媒體

TG4:低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡；ZigBee，ZigBee是基于802.15.4標準的技術。

無線傳感器通信標準1998年，IEEE802.15工作典型WSN紅外藍牙無線局域網(wǎng)Zigbee典型WSN紅外

藍牙、WIFI、Zigbee三種技術的比較藍牙、WIFI、Zigbee三種技術的比較-16-2.Zigbee技術概述-16-2.Zigbee技術概述-17-名字的由來Zigbee名字起源于蜜蜂之間傳遞信息的方式。蜜蜂通過一種特殊的肢體語言告知同伴新發(fā)現(xiàn)的事物源位置信息，這種肢體語言是ZigZag型舞蹈，借此意義以Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。

-17-名字的由來2.1Zigbee簡介Zigbee的基礎是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4僅處理低級的MAC（媒體接入控制協(xié)議）層和物理層協(xié)議，Zigbee聯(lián)盟對網(wǎng)絡層協(xié)議和應用層進行了標準化。2.1Zigbee簡介Zigbee的基礎是IEEE802第1章-WSN與Zigbee概述課件注：2.4GHZ是全球通用的ISM頻段，915MHZ是北美的ISM頻段，896MHZ是歐洲認可的ISM頻段。ISM：Industrial,ScientificandMedical信道編號中心頻率/MHz信道間隔/MHz頻率上限/MHz頻率下限/MHzk=0868.3--868.6868.0k=1,2,…,10906+2(k-1)2928.0902．0k=11,12,…,262401+5(k-11)52483.52400.0注：2.4GHZ是全球通用的ISM頻段，915MHZ是北美的第1章-WSN與Zigbee概述課件第1章-WSN與Zigbee概述課件第1章-WSN與Zigbee概述課件第1章-WSN與Zigbee概述課件Zigbee網(wǎng)絡拓撲Zigbee網(wǎng)絡拓撲Zigbee基本設備Zigbee基本設備ZigBee終端設備（End-device）一個終端設備對于維護這個網(wǎng)絡設備沒有具體的責任,所以它可以睡眠和喚配，看它自己的選擇。因此它能作為電池供電節(jié)點。ZigBee終端設備（End-device）設備類型（P5）拓撲類型是否成為協(xié)調(diào)器通話對象全功能設備（FFD）星型、樹狀、網(wǎng)狀可以與任何ZigBee設備通話簡化功能設備（RFD）星型不可以與協(xié)調(diào)器、路由器通話，不能與終端設備通話設備類型拓撲類型是否成為協(xié)調(diào)器通話對象全功能設備（FFD）星Zigbee基本概念Zigbee基本概念Zigbee基本概念Zigbee基本概念Zigbee應用領域。。。低速無線設備·

TV·

VCR·

DVD·

CD

·

鼠標·

鍵盤·

操作桿

·

保安·

HVAC·

照明·

門禁

·

玩具·

游戲器具

·

監(jiān)視·

診斷·

傳感器·

監(jiān)視·

傳感器·

自動化·控制工業(yè)、農(nóng)業(yè)和商業(yè)消費電子PC機的外圍設備玩具和游戲個人健康監(jiān)護Zigbee應用領域。。。低速無線設備·TV·VCR·-32-2003年12月，Chipcon公司推出第一款符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器CC2420

2.2Zigbee技術的發(fā)展

+-32-2003年12月，Chipcon公司推出第一款符-33-2004年12月，Chipcon公司推出全球第一個IEEE802.15.4Zigbee片上系統(tǒng)解決方案——CC2430無線單片機，該芯片內(nèi)部集成了一款增強型的8051內(nèi)核以及當時業(yè)內(nèi)性能卓越的射頻收發(fā)器CC2420。

技術的發(fā)展

8051CC2420-33-2004年12月，Chipcon公司推出全球第一-34-2005年12月，Chipcon公司推出內(nèi)嵌定位引擎的ZigbeeIEEE802.15.4解決方案CC2431。2006年2月，TI公司收購Chipcon公司，又相繼推出一系列的Zigbee芯片，比較有代表性的片上系統(tǒng)如CC2530。

技術的發(fā)展

-34-2005年12月，Chipcon公司推出內(nèi)嵌定位技術的發(fā)展技術的發(fā)展2007年1月，TI公司宣布推出Zstack協(xié)議棧V2.4.1

2007年7月，V1.4.22008年1月，V1.4.32008年3月，V2.0.02008年6月，V2.1.0…2010年12月，V2.4.0技術的發(fā)展2007年1月，TI公司宣布推出Zstack協(xié)議棧V2.4.2.3Zigbee軟件協(xié)議棧2.3Zigbee軟件協(xié)議棧第1章-WSN與Zigbee概述課件-39-非開源的協(xié)議棧常見的非開源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。Freescale中最簡單的Zigbee解決方案就是SMAC協(xié)議，是面向簡單的點對點應用，不涉及網(wǎng)絡概念。Freescale完整的Zigbee協(xié)議棧為BeeStack協(xié)議棧，也是最復雜的協(xié)議棧，看不到具體的代碼，只提供一些封裝好的函數(shù)直接調(diào)用。-39-非開源的協(xié)議棧-40-非開源的協(xié)議棧常見的非開源的Zigbee協(xié)議棧的解決方案包括freescale解決方案和microchip解決方案。Microchip提供的Zigbee協(xié)議為Zigbee@PRO和Zigee@RF4CE，均是完整的Zigbee協(xié)議棧，但是收費偏高。-40-非開源的協(xié)議棧半開源的協(xié)議棧TI公司開發(fā)的ZStack協(xié)議棧是一個半開源的Zigbee協(xié)議棧，是一款免費的Zigbee協(xié)議棧，它支持Zigbee和ZigbeePRO，并向后兼容Zigbee2006和Zigbee2004。Zstack內(nèi)嵌了OSAL操作系統(tǒng)，標準的C語言代碼，使用IAR開發(fā)平臺，比較易于學習，是一款適合工業(yè)級應用的Zigbee協(xié)議棧。半開源的協(xié)議棧開源的協(xié)議棧Freakz是一個徹底開源的Zigbee協(xié)議棧，配合contiki操作系統(tǒng)，contiki的代碼全部為C語言編寫，對于初學者來說比較容易上手。Freakz適合用于學習，對于工業(yè)應用，Zstack比較實用。開源的協(xié)議棧第1章-WSN與Zigbee概述課件2.4軟件開發(fā)平臺IAR軟件集成開發(fā)平臺Zigbee嗅探器（ZigbeeSniffer）物理地址修改軟件（SmartRFFlashProgrammer）輔助軟件

2.4軟件開發(fā)平臺IAR軟件集成開發(fā)平臺IAR軟件開發(fā)平臺IAREmbeddedWorkbench（簡稱IAR或EW）的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是完整且容易使用的嵌入式應用開發(fā)工具，對不同的處理器提供不同的版本（例如IARFor51，F(xiàn)orARM，F(xiàn)orAVR等），且提供一樣的直觀用戶界面

IAR軟件開發(fā)平臺IAREmbeddedWorkbencIAR軟件開發(fā)平臺IAR安裝IARFor51版，其對硬件的配置

如下。

硬件名稱配置要求CPU最低600MHz處理器，建議1GHz以上RAM內(nèi)存1GB，建議2GB以上可用硬盤空間可用空間1.4GB操作系統(tǒng)Windows2000、Windows2003、WindowsXP、WindowsVista、Windows7IAR軟件開發(fā)平臺IAR安裝IARFor51版，其對硬件IAR安裝雙擊安裝程序進行安裝

IAR安裝雙擊安裝程序進行安裝IAR安裝進入安裝界面

IAR安裝進入安裝界面IAR安裝IAR安裝第1章-WSN與Zigbee概述課件第1章-WSN與Zigbee概述課件第1章-WSN與Zigbee概述課件IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝IAR安裝安裝完成IAR安裝安裝完成IAR安裝安裝完成IAR安裝安裝完成ZigbeeSnifferZigbee嗅探器（程序名是ZigbeeSniffer.exe）是用來分析Zigbee各層的幀結(jié)構(gòu)程序，程序的運行需要配合“Zigbee嗅探器設備”才可運行

ZigbeeSnifferZigbee嗅探器（程序名是Zi-61-2.5輔助軟件物理地址修改軟件仿真器驅(qū)動軟件USB轉(zhuǎn)串口軟件

-61-2.5輔助軟件物理地址修改軟件2.5輔助軟件物理地址修改軟件物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）是TI提供的，可用于讀取或者修改芯片物理地址，2.5輔助軟件物理地址修改軟件物理地址修改軟件（安裝程序2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝物理地址修改軟件（安裝程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝物理地址修改軟件（安裝程2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝雙擊圖標進入安裝界面2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝雙擊圖標進入安裝界面2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇“Chang…”可以選擇安裝路徑

2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇“Chang…”可以2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇完全安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝選擇完全安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝安裝過程2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝安裝過程2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件物理地址修改軟件安裝2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動仿真器驅(qū)動程序用于驅(qū)動Zigbee仿真器以便下載和調(diào)試IAREW程序。IAREW自帶了CC2530的仿真器下載調(diào)試驅(qū)動程序。第一次使用仿真器時，操作系統(tǒng)會自動提示找到新硬件

2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動仿真器驅(qū)動程序用于驅(qū)動Zigbee2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動點擊瀏覽選擇驅(qū)動文件

2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動點擊瀏覽選擇驅(qū)動文件2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動仿真器硬件驅(qū)動程序目錄為C:\ProgramFiles\IARSystems\EmbeddedWorkbench5.3Evaluationversion\8051\drivers\TexasInstruments（本例是將IAR安裝在C盤）

2.5輔助軟件仿真器驅(qū)動仿真器硬件驅(qū)動程序目錄為C:\Pr仿真器驅(qū)動選擇驅(qū)動程序文件完成后，點擊下一步

仿真器驅(qū)動選擇驅(qū)動程序文件完成后，點擊下一步仿真器驅(qū)動安裝完成

仿真器驅(qū)動安裝完成-75-USB轉(zhuǎn)串口軟件USB轉(zhuǎn)串口用于擴展PC機的串口，方便沒有物理串口的機器使用串口

，USB轉(zhuǎn)串口的驅(qū)動軟件安裝和仿真器的驅(qū)動軟件安裝過程一樣，第一次使用時操作系統(tǒng)會自動提示找到新硬件-75-USB轉(zhuǎn)串口軟件USB轉(zhuǎn)串口用于擴展PC機的串口USB轉(zhuǎn)串口軟件選擇軟件安裝，本書中USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝位置在Zigbee/CH1/1.G.3/中

USB轉(zhuǎn)串口軟件選擇軟件安裝，本書中USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝位置USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝完成USB轉(zhuǎn)串口軟件安裝完成2.6Zigbee硬件開發(fā)平臺Zigbee硬件設計開發(fā)平臺選用AltiumDesigner軟件，對設備進行原理圖和PCB圖的繪制

2.6Zigbee硬件開發(fā)平臺Zigbee硬件設計開發(fā)平臺2.6Zigbee硬件開發(fā)平臺Zigbee硬件平臺為Zigbee開發(fā)套件序號名稱規(guī)格型號數(shù)量用途備注1核心板CC2530Core7協(xié)調(diào)器、路由器的核心板核心板不能獨立使用，需要插入?yún)f(xié)調(diào)器或路由器底板的插座上才能使用2協(xié)調(diào)器底板DH-2530-Coordinator1協(xié)調(diào)器應用底板3路由器底板