无线传感器网络技术原理及应用-第6章

1第6章Zigbee网络技术6.1Zigbee技术概述6.2应用系统组成6.3网络拓扑和协议栈结构6.4应用简介小结2本章目标理解Zigbee技术的特点。掌握Zigbee应用系统的组成。掌握Zigbee网络拓扑和协议栈结构。了解Zigbee技术的应用。3学习导航4无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，具有低成本、低功耗、低数据速率、自组织网络等特点。Zigbee技术是为低速率传感器和控制网络设计的标准无线网络协议栈，是适合无线传感器网络的标准。6.1Zigbee技术概述56.1.1定义Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输(包括典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据)的应用。Zigbee的基础是IEEE802.15.4，但是Zigbee并不等于IEEE802.15.4。由于IEEE仅处理低级的MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对网络层协议和应用层进行了标准化设定。66.1.2特点Zigbee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)三个频段上，分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，它的传输距离在10～75m范围内。Zigbee作为一种无线通信技术具有以下特点。1.低功耗低功耗是Zigbee重要的特点之一。一般的Zigbee芯片有多种电源管理模式，这些管理模式可以有效地对节点的工作和休眠进行配置，从而使得系统在不工作时可以关闭射频部分，极大地降低了系统功耗，节约电池的能量。72.低成本Zigbee网络协议简单，可以在计算能力和存储能力都很有限的MCU上运行，非常适用于对成本要求苛刻的场合。现有的Zigbee芯片一般成本较低，这对于一些需要布置大量无线传感器网络节点的应用领域是很重要的。3.大容量Zigbee设备既可以使用64位IEEE地址，也可以使用指配的16位短地址。在一个单独的Zigbee网络内，可以容纳最多216个设备。84.可靠由于无线通信是共享信道的，因而面临着众多有线网络所没有的干扰和安全威胁。Zigbee在物理层和MAC层采用IEEE802.15.4协议，使用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问和冲突避免(CSMA/CA)的数据传输方法，并与确认和数据检验等措施相结合，可保证数据的可靠传输。同时为了提高灵活性和支持在资源匮乏的MCU上运行，Zigbee支持三种安全模式。最高级安全模式采用属于高级加密标准(AES)的对称密码和公开密钥，可以大大提高数据传输的安全性。95.时延短在无线通信中，时间的延迟也是重要的参数，Zigbee针对时延作了优化，使通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。6.灵活的网络拓扑结构Zigbee支持星型、树型和网状型拓扑结构，既可以单跳，也可以通过路由实现多跳的数据传输。106.1.3协议架构按照OSI模型，Zigbee网络分为四层，从下至上分别为物理层、MAC层、网络层和应用层。Zigbee网络协议架构分层如图6-1所示。11图6-1Zigbee网络协议架构分层12Zigbee的最低两层即物理层和MAC层，使用IEEE802.15.4协议标准；而网络层和应用层由Zigbee联盟指定。每一层向它的上层提供数据或管理服务。Zigbee的应用层由应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象组成。13Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片及Zigbee协议栈。6.2应用系统组成146.2.1常见的Zigbee芯片目前最常见的Zigbee芯片为CC243X系列、CC253X系列和MC1322X系列。下面分别介绍三种系列芯片的特点。1. CC243X系列CC2430/CC2431是Chipcon公司(已被TI收购)推出的用来实现嵌入式Zigbee应用的片上系统。它支持2.4GHzIEEE802.15.4/Zigbee协议，是世界上首个单芯片Zigbee解决方案。CC2430/CC2431片上系统家族包括三个不同产品：CC2430-F32、CC2430-F64和CC2430-F128，它们的区别在于内置闪存的容量不同，以及针对不同IEEE802.15.4/Zigbee，应用的成本不同。15CC2430/CC2431在单个芯片上整合了Zigbee射频前端、内存和微控制器。它内置1个8位8051内核，具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器ADC、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振休眠模式定时器、上电复位电路和掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。CC2430/CC2431芯片具有以下特点：16高性能、低功耗的8051微控制器内核。极高的灵敏度及抗干扰能力。强大的DMA功能。只需极少的外接元件。电流消耗小(当微控制器内核运行在32MHz时，RX为27mA，TX为25mA)。硬件支持避免冲突的载波侦听多路访问。电源电压范围宽(2.0～3.6V)。支持数字化接收信号强度指示器/链路质量指示(RSSI/LQI)。172. CC253X系列CC253X系列的Zigbee芯片主要是CC2530/CC2531，它们是CC2430/CC2431的升级，在性能上要比CC243X系列稳定。CC253X系列芯片广泛使用于2.4G片上系统解决方案，建立在基于IEEE802.15.4标准的协议之上。CC253X系列芯片大致可以分为三个功能模块：CPU和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关模块，无线电相关的模块。181)CPU和内存CC253X系列芯片使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三个不同的存储器访问总线(SFR、DATA、和CODE/XDATA)，以单周期访问SFR、DATA和SRAM。它还包括一个调试接口和一个中断控制器。中断控制器提供了18个中断源，分为六个中断组，每组与四个中断优先级相关。当设备从空闲模式回到活动模式，也会发出一个中断服务请求。一些中断还可以从睡眠模式唤醒设备。19内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线，把CPU、DMA控制器、物理存储器以及所有外设连接在一起。内存仲裁器有四个存取访问点，访问每一个访问点可以映射到三个物理存储器之一：8KB的SRAM、闪存存储器和一个XREG/SFR寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时到同一个物理存储器的内存访问的顺序。8KB的SRAM是映射到DATA存储空间和XDATA存储空间的一部分，它是一个超低功耗的SRAM，当数字部分掉电时能够保留自己的内容，这对于低功耗应用是一个很重要的功能。2032/64/128/256KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，映射到CODE和XDATA存储空间。除了保存程序代码和常量，非易失性程序存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样在设备重新启动之后可以使用这些数据。212)时钟和电源管理数字内核和外设由一个1.8V低差稳压器供电。另外，CC253X系列芯片包括一个电源管理功能，可以实现使用不同供电模式，用于延长电池的寿命，有利于低功耗运行。3)外设CC253X系列芯片有许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。这些外设包括调试接口、I/O控制器、两个8位的定时器、一个16位的定时器、一个MAC定时器、ADC和AES协处理器、看门狗电路、两个串口和USB(仅限于CC2531)。224)无线电CC253X系列芯片提供了一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，可以发出命令、读取状态、自动操作和确定无线设备的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。233. MC1322X系列MC13224是MC1322X系列的典型代表，是飞思卡尔公司研发的第三代Zigbee解决方案。它集成了完整低功耗2.4GHz无线电收发器，基于32位ARM7核的MCU，是高密度低元件数IEEE802.15.4综合解决方案，能实现点对点连接和完整的Zigbee网状网络。MC13224支持国际802.15.4标准以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准，提供了优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性，具有多种供电模式，以及一套常用的外设集(包括2个高速UART、12位ADC和64个通用GPIO、4个定时器、I2C等)。24除了增强的MCU，还改进了RF输出功率、灵敏度、选择性，并且提供了一个超越第二代Zigbee芯片的重要性能改进；除了通过增强优秀的RF性能、选择性和业界标准ARM7TDMI-S内核外，还支持一般低功耗无线通信，并且可以配备一个标准网络协议栈(ZigBee，ZigBeeRF4CE)来简化开发。因此MC13224芯片可广泛应用于住宅区和商业自动化、工业控制、卫生保健和消费类电子等产品，其主要特性包括：252.4GHzIEEE802.15.4标准射频收发器。出色的接收器灵敏度和抗干扰能力。极少量的外部元件。支持运行网状型系统。128KB系统可编程闪存。32位ARM7TDMI-S微控制器内核。96K的SRAM及80K的ROM。硬件调试支持。264个16位定时器及PWM。红外发生电路。32kHZ的睡眠计时器和定时捕获。CSMA/CA硬件支持。精确的数字接收信号强度指示/LQI支持。温度传感器。2个8通道12位ADC。AES加密安全协处理器。2个高速同步串口。64个通用I/O引脚。看门狗定时器。276.2.2常见的Zigbee协议栈常见的Zigbee的协议栈分为三种：非开源的协议栈、半开源的协议栈和开源的协议栈。1.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，28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。Microchip提供的Zigbee协议为ZigBee®PRO和ZigBee®RF4CE，均是完整的Zigbee协议栈，但是收费偏高。292.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。303.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的代码全部由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，对于工业应用，Zstack比较实用。316.2.3应用系统组成本节以基于CC2530的硬件平台和基于Zstack的Zigbee协议栈为例，介绍Zigbee应用系统组成，其总体上可以分为硬件平台和软件平台。1.硬件平台Zigbee网络主要由Zigbee网络协调器、Zigbee网络路由器、Zigbee终端节点组成，可以形成星型、树型及网状型三种网络拓扑结构(详见6.3节)。网络中三种设备类型的功能如下：32Zigbee网络协调器是整个网络的中心，它负责的功能包括建立、维持和管理网络、分配网络地址等，所以可以将Zigbee网络协调器认为是整个Zigbee网络的“大脑”。图6-2所示为本书实践篇实验使用的Zigbee协调器。33图6-2Zigbee协调器34Zigbee网络路由器主要负责路由发现、消息传输、允许其他节点通过它关联到网络中。Zigbee终端节点通过Zigbee协调器或者Zigbee路由器关联到网