1、(封皮页)北京理工大学现代数据分析实验 7 实验报告主讲:李明学生:李经2012/11/21I(目录页)实验 7 资料检索 17.1 实验目的 17.2 实验内容 17.3 说明 17.4 设计方案 17.4.1 引言 17.4.2 Zigbee 技术简介 17.4.3 ZigBee 无线传感器网络的构建 .57.4.4 结束语 71实验 7资料检索7.1 实验目的熟悉资料检索7.2 实验内容提出一种传感器网络的组成方案,包括硬件组成及软件架构7.3 说明掌握基本的检索技巧,通过检索,了解无线传感器网络的基本概念,并提出一种传感器网络的组成方案7.4 设计方案7.4.1 引言随着网络和通信技术
2、的发展,人们对无线通信的要求也越来越高短程低速廉价的无线通信技术正成为关注的焦点目前,一种新的无线通信技术引起了人们的关注,这就是所谓的“Zigbee”技术Zigbee 技术的出现 ,正好满足了传感器网络低端的面向控制的 应用简单的专用标准 ZigBee 以其高通信效率低复杂度低功耗低速率 低成本高安全性以及全数字化等诸多优点,使其和无线传感器网络完美地结合在一起目前,基于 ZigBee 技术的无线传感器网络的研究和开发已得到越来越多的关注7.4.2 Zigbee 技术简介ZigBee 技术是 HomeRF 的一个分支,是一种近距离低复杂度低功耗低数据速率低成本的双向无线通信技术或无线网络技术
3、,同时又是一组基于 IEEE 的802.15.4 无线标准研制开发的有关组网安全和应用软件方面的技术,适合于承载数据流量较小的业务,并可方便地嵌入各种设备中,同时支持地理定位功能其目标市场是工业 家庭以及医学等需要低功耗低成本的无线通信应用相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee 技术是最低功耗和成本的技术其依赖的IEEE802.15.4 规范也是一种经济 高效低数据速率 (250kbps)可工作在 2.4GHz和 868/92MHz 的无线网络技术它的网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定,IEEE802.15.4 负责物理层和链路层标准 一个完整的 ZigBee 协议套件由高层应用规范
4、应用会聚层 网络层 以及数据链路层和物理层组成7.4.2.1 ZigBee 协议随着无线网络通信新技术日新月异的发展,至 2001 年 8 月,支持 ZigBee 的主要公司( 如飞利浦 三菱摩托罗拉和 Invensys 等)组成了一个非营利性质的联盟ZigBee 联盟,该联盟旨在推动 ZigBee 技术的进一步发展和应用目前已有大2约 25 家成员企业,其中包括一些主要的半导体生产商IP 业务提供商及原始设备制造商(OEM) 等 该组织的主要目标是提供从网络层到应用层的上层协议堆栈 它的网络层以上协议由 ZigBee 联盟制定,其中 IEEE802.15.4 负责物理层和链路层标准在一个由高
5、层应用规范应用会聚层 网络层以及数据链路层和物理层组成的完整的 ZigBee 协议套件中,其物理层MAC 层数据链路层以及传输过程中的资料加密机制等均由 IEEE 所主导 ZigBee 的协议栈结构如图 1 所示(1)物理层由于使用的 2.4GHz915MHz 和 868MHz 频段是免费开放的,故已有多种无线通信技术使用为避免被干扰,ZigBee 在各个频段皆采用直接序列展频(DSSS,DirectSequenceSpreadSpectrum)技术,以化整为零方式将一个信号分为多个信号,再经由编码方式传送信号以避免干扰,这对大部分较低端的实现来说,直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单,
6、并具有更高的容错性能(2)MAC 层 MAC 层即媒体接入控制层,应遵循 IEEE802.15.4 协议,负责设备间无线数据链路的建立维护和结束,并可确认模式数据的传送和接收,同时支持各种网络拓扑结构IEEE802 系列标准把数据链路层分为媒质接入层 MAC(Me-diaAccessControl)和逻辑链路控制层 LLC(Logi-calLinkControl)两种IEEE802.15.4 在媒体存取控制 (MAC)层方面主要沿用的是无线局域网(WLAN)中 IEEE802.11 系列标准的 CSMA/CA 方式,以提高系统兼容性(3)网络层网络层的主要功能是提供 IEEE802.15.4-
7、MAC 子层的正确操作,并通过SAP(服务接入点) 为应用层提供适当的服务接口为了与应用层进行接口 ,网络层从概念上包含有两种具备所需功能的服务实体其中数据实体(NLDE)主要通过其相应的 SAP(即 NLDE-SAP)来提供数据传输服务;而管理实体(NLME) 则主要通过 NLME-SAP 来提供访问内部层参数配置和管理数据的机制 (4)应用层应用层主要有 3 个部分:与网络层连接的 APS(ApplicationSupport)3ZDO(ZigBeeDeviceOb-ject)以及装置应用 ProfileZigBee 的应用层架构,最重要的是已涵盖了服务(Service)的观念,所谓的服务
8、,简单来看就是功能对于 ZigBee装置而言,当加入到一个 WPAN 后,应用层的 ZDO 会发动一系列初始化的动作首先通过 APS 做装置搜寻(DeviceDiscovery) 以及服务搜寻 (ServiceDiscovery),然后根据事先定义好的描述信息(Description)将与自己相关的装置或是服务记录在APS 里的绑定表(BindingTable)中,之后,所有服务的使用都要通过这个绑定表来查询装置的资料或行规而装置应用 Profile 则是根据不同的产品设计出不同的描述信息(Description) 以及 ZigBee 各层协议的参数7.4.2.2 IEEE802.15.4/Z
9、igBee 网络拓扑结构网络功能是 ZigBee 最重要的特点,也是与其它无线局域网(WPAN)标准不同的地方在网络层方面,ZigBee 的主要工作在于负责网络机制的建立与管理,并具有自我组态与自我修复功能在组建无线网络中ZigBee 定义了 3 种角色: 第一个是网络协调者,负责网络的建立以及网络位置的分配; 第二个是路由器,主要负责找寻 建立以及修复信息包的路由路径,并负责转送信息包;第三个是末端装置,该装置只能选择加入他人已经形成的网络,它可以收发信息,但不能转发信息,也不具备路由功能 此外,为了降低系统成本,IEEE 还定义了两种类型的装置 :全功能装置(FFD)和简化功能装置(RFD
10、),可用于构成多种网络拓扑结构 在组网方式上,ZigBee 主要采用图 2 所示的 3 种组网方式一种为星型网,为主从结构,通常一个网络有一个网络协调者和最多可达 65535 个从属装置,而网络协调者必须是 FFD,由它来负责管理和维护网络;另一种为簇状形网,可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络;再有一种为网状网,网络中的每一个 FFD 可同时作为路由器,并可根据 ADhoc 网络路由协议来优化最短和最可靠的路径网络功能是 ZigBee 最重要的特点,也是与其它无线局域网(WPAN)标准不同的地方在网络层方面,ZigBee 的主要工作在于负责网络机制的建立与管理,并具有自我组态与自我修复功
11、能在组建无线网络中ZigBee 定义了 3 种角色: 第一个是网络协调者,负责网络的建立以及网络位置的分配; 第二个是路由器,主要负责找寻 建立以及修复信息包的路由路径,并负责转送信息包;第三个是末端装置,该装置只能选择加入他人已经形成的网络,它可以收发信息,但不能转发信息,也不具备路由功能 此外,为了降低系统成本,IEEE 还定义了两种类型的装置 :全功能装置(FFD)和简化功能装置(RFD),可用于构成多种网络拓扑结构 在组网方式上,ZigBee 主要采用图 2 所示的 3 种组网方式4一种为星型网,为主从结构,通常一个网络有一个网络协调者和最多可达 65535 个从属装置,而网络协调者必
12、须是 FFD,由它来负责管理和维护网络; 另一种为簇状形网,可以是扩展的单个星型网或互联两个星型网络;再有一种为网状网,网络中的每一个 FFD 可同时作为路由器,并可根据 ADhoc 网络路由协议来优化最短和最可靠的路径(1)星型网星型网络以网络协调器为中心,所有设备只能与网络协调器进行通信,因此,星型网络形成过程的第一步就是建立网络协调器任何一个 FFD 设备都有成为网络协调器的可能,一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定一种简单的策略是:当一个 FFD 设备在第一次被激活后 ,首先广播查询网络协调器的请求,如果接收到回应,就说明网络中己经存在网络协调器,这样,再通过一系列认证过程,
13、该设备就可成为了整个网络中的普通设备而如果没有收到回应,或者认证过程不成功,那么,这个 FFD 设备就应建立自己的网络,并成为这个网络的网络协调器(2)网状网络网状网络中的任意两个设备只要能够彼此收到对方的信号,就可以进行直接通信,而不需要其他设备的转发但在点对点网络中,仍然需要一个网络协调器不过 ,该协调器的功能不再是为其他设备转发数据,而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能网络协调器的产生同样要由上层协议规定,实际操作时,可以把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协调器(3)簇树网络簇树网络也可以看作是特殊的网状网络在簇树网络中,绝大多数设备都是 FFD 设备,而 RF
14、D 设备总是作为簇树的叶子设备连接到网络中,任意一个 FFD 都可以充当 RFD 协调器或者网络协调器,来为其它设备提供同步信息5在这些协调器中,只有一个可以充当整个簇树网络的协调器网络协调器首先要将自己设置为簇头(clusterheadCH),并将簇标识符(clusteridentifier,CID)设置为 0,同时为该簇选择一个未被使用的 PAN 网络标识符 ,以形成网络中的第一个簇接着,网络协调器开始广播信标帧邻近设备收到信标帧后,就可以申请加入该簇可否成为簇成员,可由网络协调器决定如果请求被允许,则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自
15、己的邻居列表中7.4.3 ZigBee 无线传感器网络的构建7.4.3.1 无线网络的硬件结构整个 ZigBee 系统主要由传感器节点路由器和网络协调器来构成混合网络其结构如图 3 所示当传感器节点采集到信息后,经路由器按照一定的路由协议传输给协调器,最终由协调器把数据传输到 PC 机上进行处理 本设计中的路由器与网络协调器均采用Jennic 公司的 JN5121 芯片,JN5121 这种主控芯片内部集成有 4 路 12 位 ADC2路 11 位 DAC比较器2 个应用计时器以及 2 个 UART 等,因此,在开发过程中,需要添加的外围硬件电路较少,并可显著减少开发的工作量JENNIC 公司的
16、JN5121 是一种全集成单芯片 ZigBee 解决方案通过单个 JN5121 芯片即可构成标准的 ZigBee 终端产品JN5121 的内部结构如图 4 所示6该设备集成了 32 位 RISC 核心以及完全兼容 2.4GHzIEEE802.15.4 收发器,同时集成有 64kBROM 和 96kBRAM,可为无线传感器网络提供低成本的解决方案一般来说,ROM 集成有点对点和网络协议栈,而 RAM 则支持路由和控制器功能,这些特性使得应用系统无需配备附加的储存JN5121 的使用可使硬件 MAC 和高度安全的 AES 加密加速器具有低功耗功能,同时可保证处理器的最小工作负荷 集成的休眠振荡器和
17、节电功能也可以保证整个系统的低功耗此外,该设备还提供了丰富的开关量和模拟量接口而 JENNIC 提供的硬件电路符合 IEEE802.15.4 标准的协议栈软件,可实现标准规定的 PHY/MAC 层功能,完全符合研究组网方式和路由算法的需求7.4.3.2 无线网络的软件系统7图 5 所示是节点的组网流程下面结合流程图详细阐述其组网过程首先,当一个无线传感器网络形成之后,节点一般处于休眠状态而当某个节点在一个随机时间醒来或被某事件唤醒后,其第一个步骤就是搜索其通信范围内已存在的网络 如果找到网络,本节点将根据所获得的网络信息选定一个父节点并提出入网申请,同时等待父节点的请求响应此时如果没有找到任何
18、网络,节点将申明自己为 PAN 网络协调器并建立网络,并作为父节点接收入网申请 当父节点收到一个入网申请后,将根据请求信息作出是否允许加入网络的判断,若允许加入,父节点将发出请求响应并告知子节点子节点收到请求响应后,将获得父节点分配给它的一个网络地址(也称为短地址)作为在网络内唯一的身份标识至此,节点将成功加入网络加入网络后,节点将作为协调器广播信标帧,同时接受新节点的入网请求 这样,通过一级一级的短地址分配,传感区域内的所有节点将组成簇树的网络拓扑结构根据上述分析可知,簇树结构的无线传感器网络中的所有节点均为FFD任何一个节点都有建立网络的能力,建立网络的节点即 PAN 网络协调器对应着无线传感器网络中的网关节点其它协调器可作为子节点加入网络,并具有加入其它未入网节点的能力,每个节点都具备路由和数据转发功能在节点入网的过程中,相互通信的一对节点构成父子关系,已经加入网络的节点称为父节点,另一个节点成为它的子节点7.4.4 结束语ZigBee 具有高通信效率低复杂度低功耗低速率低成本高安全性以及全数字化等诸多优点,而无线传感器网络与 Zigbee 技术的结合则有着广泛的应用前景,本文主要探讨了基于 ZigBee 技术的无线传感器网络的构建,并根据 JENNIC公司的 JN5121 芯片提出了一种具体构建 Zibee 无线传感器网络的可行方案
