1、,Zigbee网络技术及应用,哈尔滨商业大学管理学院,考核方式 平时成绩（20分） 期中成绩（20分） 期末成绩（卷面*0.6） 参考书 Zigbee技术与实训教程基于CC2530的无线传感网技术，姜仲等，清华大学 无线龙，Zigbee无线网络原理，冶金工业 金纯，Zigbee技术基础及案例分析，国防工业,课程说明,第1章 WSN与Zigbee概述,本讲内容,理解Zigbee与无线传感器网络的关系 掌握Zigbee技术概念 理解Zigbee技术特点 了解常用Zigbee芯片的特点 了解几种常见的Zigbee协议栈 掌握Zigbee软硬件开发平台的建立和安装,物联网（IOT）-感知网络,早期物联
2、网的定义是：通过射频识别（ RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 2011年，工信部发表的物联网白皮书对物联网的定义为：“物联网是通信网和互联网的拓展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互联，进行计算、处理和知识挖掘，实现人与物、物与物信息交互和无缝链接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学决策的目的。”,1. WSN,无线传感网络的定义是：大规模，无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络其中的节点
3、是同构的、成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。 在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称无线传感器网络(WSN Wireless Sensor Network)。,WSN通信体系结构,WSN传感器节点的结构,WSN发展历程,第一阶段：20世纪70年代越战时期的传感器网络 胡志明小道的热带树 第二阶段：20世纪80年代至90年代 美军方的分布式传感网络系统、远程战场传感器系统 第三阶段：21世纪至今， 自组织、低功耗节点网络,WSN的特点,（1）
4、硬件资源有限 （2）电源容量有限 （3）通信能量有限 （4）计算能力有限 （5）节点数量众多，分布密集 （6）自组织，动态网络 （7）以数据为中心 （8）多跳路由 （9）节点出故障的可能性较大,WSN关键技术,（1）时间同步技术（定期同步） （2）定位技术（GPS+多点协作定位算法） （3）分布式数据管理和信息融合 （4）安全技术 （5）精细控制、深度嵌入的操作系统技术（Tinyos,vxworks,CLinux, COS） （6）能量工程(获取、存储),WSN应用,智能交通 智能农业 医疗健康 工业控制 军事应用 灾难救援与临时场合 家庭应用 其他（空间探索、物流、环境监测、测量）,无线传感
5、器通信标准,1998 年，IEEE 802.15 工作组成立, 从事 WPAN 标准化工作。它的任务是开发一套适用于短程无线通信的标准，分为 4 个工作组： TG1: 中速、近距离蓝牙工作组,手机，PDA TG2:共存工作组，解决 802.11 和 802.15 之间共存的问题，WLAN。 TG3: 高速无线个人区域网络，个人多媒体 TG4: 低速无线个人区域网络；ZigBee，ZigBee 是基于 802.15.4 标准的技术。,典型WSN,红外 蓝牙 无线局域网 Zigbee,蓝牙、WIFI、Zigbee三种技术的比较,- 16 -,2. Zigbee技术概述,- 17 -,名字的由来Zi
6、gbee名字起源于蜜蜂之间传递信息的方式。蜜蜂通过一种特殊的肢体语言告知同伴新发现的事物源位置信息，这种肢体语言是ZigZag型舞蹈，借此意义以Zigbee作为新一代无线通讯技术的命名。,2.1 Zigbee简介,Zigbee的基础是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4仅处理低级的MAC（媒体接入控制协议）层和物理层协议，Zigbee联盟对网络层协议和应用层进行了标准化。,注：2.4GHZ是全球通用的ISM频段，915MHZ是北美的ISM频段，896MHZ是欧洲认可的ISM频段。 ISM：Industrial, Scientific and Medical,Zigbee网络拓
7、扑,Zigbee基本设备,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。,Zigbee基本概念,Zigbee基本概念,Zigbee 应用领域,- 32 -,2003年12月，Chipcon公司推出第一款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420,2.2 Zigbee 技术的发展,+,- 33 -,2004年12月，Chipcon公司推出全球第一个IEEE802.15.4 Zigbee片上系统解决方案CC2430无线单片机，该芯片内部集成了一款增强型的8051
8、内核以及当时业内性能卓越的射频收发器CC2420。,技术的发展,8051,CC2420,- 34 -,2005年12月，Chipcon公司推出内嵌定位引擎的Zigbee IEEE802.15.4解决方案CC2431。 2006年2月，TI公司收购Chipcon公司，又相继推出一系列的Zigbee芯片，比较有代表性的片上系统如CC2530。,技术的发展,技术的发展,2007年1月，TI公司宣布推出Zstack协议栈V2.4.1 2007年7月，V1.4.2 2008年1月，V1.4.3 2008年3月，V2.0.0 2008年6月，V2.1.0 2010年12月，V2.4.0,技术的发展,2.3
9、 Zigbee 软件协议栈,- 39 -,非开源的协议栈 常见的非开源的Zigbee协议栈的解决方案包括freescale解决方案和microchip解决方案。 Freescale中最简单的Zigbee解决方案就是SMAC协议，是面向简单的点对点应用，不涉及网络概念。Freescale完整的Zigbee协议栈为BeeStack协议栈，也是最复杂的协议栈，看不到具体的代码，只提供一些封装好的函数直接调用。,- 40 -,非开源的协议栈 常见的非开源的Zigbee协议栈的解决方案包括freescale解决方案和microchip解决方案。 Microchip提供的Zigbee协议为ZigbeePR
10、O和ZigeeRF4CE ，均是完整的Zigbee协议栈，但是收费偏高。,半开源的协议栈 TI公司开发的ZStack协议栈是一个半开源的Zigbee协议栈，是一款免费的Zigbee协议栈，它支持Zigbee和ZigbeePRO，并向后兼容Zigbee2006和Zigbee2004。Zstack内嵌了OSAL操作系统，标准的C语言代码，使用IAR开发平台，比较易于学习，是一款适合工业级应用的Zigbee协议栈。,开源的协议栈 Freakz是一个彻底开源的Zigbee协议栈，配合contiki操作系统，contiki的代码全部为C语言编写，对于初学者来说比较容易上手。Freakz适合用于学习，对于
11、工业应用，Zstack比较实用。,2.4 软件开发平台,IAR软件集成开发平台 Zigbee嗅探器（Zigbee Sniffer） 物理地址修改软件（SmartRF Flash Programmer） 辅助软件,IAR软件开发平台,IAR Embedded Workbench（简称IAR或EW）的C/C+交叉编译器和调试器是完整且容易使用的嵌入式应用开发工具，对不同的处理器提供不同的版本（例如IAR For51，For ARM，For AVR等），且提供一样的直观用户界面,IAR软件开发平台,IAR安装,IAR For 51版，其对硬件的配置 如下。,IAR安装,双击安装程序进行安装,IAR安
12、装,进入安装界面,IAR安装,IAR安装,安装,IAR安装,安装,IAR安装,安装,IAR安装,安装,IAR安装,安装,IAR安装,安装完成,IAR安装,安装完成,Zigbee Sniffer,Zigbee嗅探器（程序名是ZigbeeSniffer.exe）是用来分析Zigbee各层的帧结构程序，程序的运行需要配合“Zigbee嗅探器设备”才可运行,- 61 -,2.5 辅助软件,物理地址修改软件 仿真器驱动软件 USB转串口软件,2.5 辅助软件,物理地址修改软件,物理地址修改软件（安装程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）是TI提供的，可用于读取或者修改芯片物理地
13、址，,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,物理地址修改软件（安装程序名是Setup_SmartRFProg_1.6.2.exe）,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,双击图标进入安装界面,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,选择“Chang”可以选择安装路径,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,选择完全安装,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,安装过程,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,2.5 辅助软件,物理地址修改软件安装,2.5 辅助软件,仿真器驱动,仿真器驱动程序用于驱动Zigbee仿真器以便下载和调试IAR EW程序。IAR EW自带了CC2530的仿真器下载
14、调试驱动程序。第一次使用仿真器时，操作系统会自动提示找到新硬件,2.5 辅助软件,仿真器驱动,点击浏览选择驱动文件,2.5 辅助软件,仿真器驱动,仿真器硬件驱动程序目录为C:Program FilesIAR SystemsEmbedded Workbench 5.3 Evaluation version8051driversTexas Instruments（本例是将IAR安装在C盘）,仿真器驱动,选择驱动程序文件完成后，点击下一步,仿真器驱动,安装完成,- 75 -,USB转串口软件,USB转串口用于扩展PC机的串口，方便没有物理串口的机器使用串口 ，USB转串口的驱动软件安装和仿真器的驱动
15、软件安装过程一样，第一次使用时操作系统会自动提示找到新硬件,USB转串口软件,选择软件安装，本书中USB转串口软件安装位置在Zigbee/CH1/1.G.3/中,USB转串口软件,安装完成,2.6 Zigbee硬件开发平台,Zigbee硬件设计开发平台选用Altium Designer软件，对设备进行原理图和PCB图的绘制,2.6 Zigbee硬件开发平台,Zigbee硬件平台为Zigbee开发套件,- 80 -,CC243X系列 CC253X系列MC1322X系列,Zigbee芯片,Zigbee硬件平台连接协调器,Zigbee硬件平台连接路由器或终端节点,Zigbee硬件平台连接嗅探器,CC2530仿真器具有在线下载、调试、仿真等功能。,小结,Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线连接 Zigbee的特点是功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠安全 常见的Zigbee芯片有CC243X系列、MC1322X系列和CC253X系列 常见的Zigbee协议栈有msstatePAN协议栈、freakz协议栈和Zstack协议栈 Zigbee软件开发平台包括IAR、Zigbee Sniffer、物理地址修改软件以及其它辅助软件 Zigbee硬件开发平台采用Altium Designer进行设计,
