Zigbee在物联网中的应用47

华中科技大学硕士学位论文11.物联网和Zigbee温家宝2009年8月在无锡提出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。同年11月温家宝在发表“让科技引领中国可持续发展”的讲话中再次提及物联网，并将其纳入到国家新兴战略性产业中。随即“传感网”“物联网”成了热点被大家关注，被认为是继计算机、互联网与移动通信网之后的再一次信息产业浪潮。1.1.物联网的概念物联网是把物品用网络连接起来，进行信息交换，从而实现智能识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。1.2.物联网的发展物联网是1999年提出来的概念，2005年国际电信联盟在信息社会世界峰会上提出来的物联网这个名词。在这个领域，IBM提出了智慧地球，HP提出地球神经中枢，思科提出智能城市，2009年西安优势微电子公司首次推出了国内首颗物联网核心芯片——“唐芯一号”，宣告我国已经攻克了物联网的核心技术。物联网在短短几个月内成为全社会和产业界热切关注的宠儿。物联网已经成为信息化发展的重要趋势，成为人类社会迈向更加高效、智能的信息社会的一大特征[2]。1.3.物联网应用的一般形式物联网应用一般有三层构成：感知控制层、网络传输层、应用管理层，感知控制层搜集、执行数据，网络层传递数据，应用管理层存储数据、处理数据以及提供服务。图1.1展示了物联网的一般层次结构，箭头表示数据流向，可见数据是双向传输的。应用管理层网络传输层感知控制层图1.1物联网一般结构华中科技大学硕士学位论文2由于专业范围的限制，本文讨论的内容主要集中在感知控制层和网络传输层的一部分。1.4.Zigbee的技术特点ZigBee的基础是IEEE802.15.4，IEEE只定义了低级MAC层和物理层，ZigBee联盟丰富了MAC层并对网络层协议和API进行了标准化。Zigbee技术有以下几个特点：低成本ZigBee节点的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。同时Zigbee路由只不过是在普通节点的基础上增加了供电能力成本也不会超过10美元，这比移动通信网的基站要廉价很多。由此整个网络的成本优势就很明显[3]。低功耗Zigbee的发射功率都很低，大多数发射功率都不超过1mW，并且Zigbee协议允许节点深度睡眠来降低功耗，因此Zigbee节点的功耗都可以控制得很低。节点多Zigbee用16位短地址寻址和64位长地址寻址两种方法来寻址设备。这两种寻址方式可以任意选择。用64位长地址寻址意味着网络可以容纳2个网络设备[4-6]，所以Zigbee网络几乎可以容纳无限数量的网络设备。自组网自修复Zigbee的网络层有很强大的组网功能，能自主组建性能最优的网络，并且能在特殊情况下自动修复损坏的网络连接。抗干扰能力强Zigbee物理层采取的扩频技术能提供多达9dB的处理增益，同时MAC层采用了CSMA-CA策略，并且留了专用时隙给需要固定带宽的通信业务预，最大限度地避开了发送数据的竞争和冲突，这都保证Zigbee网络具有很强的抗干扰能力[7,8]。能与其他无线协议共存华中科图1.2如图1.2所示[9-11]，Zigbee的所以当这些无线协议在一个区域内同时存在的时候这就保证了Zigbee能够和其他无线通信在同一个区域共存标准化Zigbee联盟针对各种应用做了很多标准化工作用框架是Zigbee协议里内容最丰富的部分框架的结构[12]，有了这种标准的应用框架大厂家产品的兼容性。图1.3展示了目前已经成科技大学硕士学位论文3.22.4GHz附近其他无线标准的频段分布的11至26通道的频率和其他无线协议的频段有重叠也有交错所以当这些无线协议在一个区域内同时存在的时候，他们之间总能找到属于自己的那个频段能够和其他无线通信在同一个区域共存。针对各种应用做了很多标准化工作，这主要体现在应用层的应用框架上协议里内容最丰富的部分，也是发展最快的部分，图1.有了这种标准的应用框架，可以大大加速应用的开发速度展示了目前已经成形的几大应用[13]。文通道的频率和其他无线协议的频段有重叠也有交错，他们之间总能找到属于自己的那个频段。这主要体现在应用层的应用框架上。应.4显示了Zigbee应用可以大大加速应用的开发速度，同时也保证了各华中科1.5.Zigbee和物联网的契合点物联网和互联网应用的最大不同就是多了感知控制层，这一层囊括了太多内容才将互联网的应用拓展到几乎每个角落物物联网应用。物联网的感知控制层是各种传感器或者执行器其数量往往很大，因此单个节点的成本和功耗都需要严格控制，并且如此大规模的网络最好能护。又因为物联网应用可能覆盖到一些特殊场合所以应该具备一定的抗干扰能力他无线通信共存。根据上面的分析我们发现Zigbee物联网的应用。科技大学硕士学位论文4图1.3应用类别分布和物联网的契合点的最大不同就是多了感知这一层囊括了太多内容，正是依赖这一层才将互联网的应用拓展到几乎每个角落，从而形成物联网的感知控制层是各种传感器或者执行器，因此单个节点的成本和功耗都需如此大规模的网络最好能自行维又因为物联网应用可能覆盖到一些特殊场合，所以应该具备一定的抗干扰能力，同时应该能与其Zigbee能很好的满足图1.4应用框架结构ApplicationprofileZigbeeclusterFunctionaldomainFoundationAPIcallAPIcallAPIcallApplicationframework文应用框架结构pplicationprofileZigbeeclusterlibraryunctionaldomainFoundationCMDCallbackCLHdirCallbackMsgQueuepplicationframework华中科技大学硕士学位论文52.Zigbee通信实现2.1.方案描述2.1.1.硬件方案描述目前能提供Zigbee方案的厂商不在少数，Zigbee方案更是种类繁多，在面对如此多选择的时候我们必须做出合适的选择，从应用的角度出发，我们从以下几个方面去考量这些方案：用最简单的方式完成任务：Zigbee支持星形、树形、网状网络，其中星形网络的实现方式最简单、代码量最小、延时最低，但是节点数量和覆盖范围有限。树形网络比星形网络实现起来要复杂、延时高，能容纳更多节点，可以覆盖更大范围。网状网络是Zigbee中最复杂的网络，实现最复杂、代码量最大，能容纳更多节点，覆盖更大的范围，此外，网状网络具备自愈能力，这使得网络更加智能、可靠。以上三种网络各有特色，选择的时候保证能完成任务的最简单网络就好，选择能满足所有要求的网络会增加开发难度延迟上市时间。频段使用范围：802.15.4定义了三个无线收发器频率：868MHz、902MHz和2.4GHz。现今市场上的绝大多数802.15.4无线收发器都在2.4GHz频段内工作。另一面，2.4GHz这个频段也有一些缺点：首先，由于这个频段免费导致蓝牙、WIFI、微波炉都使用这个频段导致2.4GHz频段拥挤不堪。大大增加了受干扰的可能性。此外，2.4GHz的无线电波绕射、穿透能力不强，在有障碍的地方使用容易造成信号强度不够，所幸的是Zigbee的路由节点能有效解决这个潜在的问题。链路预算：链路预算是一个复杂的概念，我们不考虑处理增益的时候链路预算可以简单地用接收灵敏度的绝对值加上发射功率的绝对值来计算。在802.15.4中规定2.4GHz无线接收装置的接收灵敏不低于-85dBm，这个指标目前所有的芯片厂商都能满足。通过把链路预算提高3dB可以将传输距离延长一倍。为了省电，优先降低能接收的最小功率。资源占用：一个完整的Zigbee协议通常需要60K的RAM空间，为了降低成本，许多厂商优化了协议栈，他们一般有两种方式来降低RAM空间的需求：删除协议功能、优化代码密度。删除协议功能是最有效地方式，但是不利于以后的系统升级。优化代码密度是最好的方法。华中科技大学硕士学位论文6功耗控制：Zigbee网络往往有大量的节点，并且这些节点长期在线运行，所以每个节点的功耗将很大程度的影响系统成本。节点功耗是许多因素综合影响的结果：工作电压、工作电流、时钟频率、休眠模式、外围器件、代码长度都能影响功耗。由于大多数电池供电的802.15.4/ZigBee节点(如恒温器或电灯开关)在99.9%的时间里都处于休眠模式，只会周期性地唤醒数毫秒，以检查传感器或查询其他无线收发器，所以节点的总功耗接近休眠模式的功耗[14]。所以工程师除了关心工作功耗之外，更应该关心休眠模式功耗。外围电路复杂程度：过于复杂的外围电路不但增加器件成本，也会增加PCB的面积、外壳体积，这些都是成本增加的因素。因此Zigbee方案要有尽量简单的外围电路。在评估802.15.4/ZigBee系统解决方案时，还要特别注意架构的稳健性和媒体访问控制器的大小；由无线收发器供货商所支持的微控制器的多样性和灵活性；以及无线收发器的接收灵敏度。在IEEE802.15.4的通信芯片发展方面ABIResearch在2006年9月发表了其依据各供应商的创新和执行等重要参数来进行比较的结果，如表2.1所示[15]。表2.1ABIResearch发布的zigbee芯片厂商排名排名公司排名公司1TI6ZMD2Ember7RadioPulse3OldSemiconductor8FreescaleSemiconductor4Atmel9IntegrationAssociates5UnibandElectro10Jennic本来Atmel和Chipcom的射频芯片搭配，但是后者走了SOC路线之后就不需要Atmel的处理器了，于是Atmel也开始自行研发射频芯片，成为了具备完整硬件解决方案的公司。值得注意的是中国台湾的达盛电子UBEC也入围。而Freescale的芯片应为功耗问题所以排名较后。此外英国IntegrationAssociates公司因为收购CompXs而入榜。上述Chipcon、Ember、Freescale、及CompXs为ZigBee发展平台的先锋，此四家平台也是目前进行测试认证时所采用的黄金单元。此外英国Jennic号称率先推出第一课整合ZigBee系统单芯片的SOC，但因在功耗以及接收灵敏度上的效能问题而位居第十。其余入围的还有德国ZMD及韩国RadioPulse等厂商，表3.2罗列了各大厂家ZigBee芯片的参数：华中科技大学硕士学位论文7表2.2目前各类zigbee方案对比目前市场上主要2.4GHz频段的ZigBee芯片提供商主要有：Ti、Ember、Jennic、Freescale、Microchip、Atmel而目前ZigBee芯片技术提供方式有三种：芯片厂家芯片名称工作电压V接收电流mA发射电流mA睡眠电流uA最大发射功率dBm接收灵敏度dBm处理器RAMFlash或者ROM外围TICC25302~3.6242911-96C80518k256k24个通用IO8个12位ADTICC24302~3.627270.50-92C80518K128K21个通用IO8个12为ADTICC25332~3.62532.30.54.5-97C80516K96K32个通用IOTICC24202.1~3.618.817.410-95无无无FreescaleMC1322x2.0~3.622290.854-96ARM796k128K80KFreescaleMC132022~3.4373013.6-92无无无6个通用IO时钟输出FreescaleMC132421.8~3.61515110-102无无无8个通用IO时钟输出FreescaleMC132132~3.4423513-92HCS084K60K38个通用IO8个10位ADFreescaleMC132331.8~3.6312713-93HCS08-QE5K82K32个通用IOFreescaleMC13226V2.0~3.621290