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物联网无线传感器网络技术与应用(ZigBee)笔记.docx
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2021-04-17
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物联网无线传感器网络技术与应用(ZigBee)笔记.docx
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初识 ZigBee 无线传感器网络
(紫峰协议)——蜜蜂()是靠飞翔和“嗡嗡”()地抖动翅膀的“舞蹈”来
与同伴传递花粉所在的方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
无线传感器网络综合了传感器技术、 技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线
通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地进行实时监
测、感知和采集各类环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送,并以自组多
跳网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算机世界和现实世界的连通。
无线传感器网络特点:低功耗、低成本、时延短、数据传输速率低、网络容量大、
有效范围小、工作频段灵活、兼容性好、安全性高、协议套件紧凑而简单。
传感器节点主要由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件
系统 部分组成。
能量供应模块通常采用微型电池。
传感器模块监测的物理信号的形式决定了传感器的类型。 模块负责数据的转换。
处理器模块通常采用通用的嵌入式处理器。
无线通信模块通常采用距离短、低功耗的无线通信模块。
嵌入式软件系统其软件协议栈由物理层()、介质访问控制层()、网络层
()和应用层()组成。
无线传感器网络是大量的传感器节点以自组织或者多跳的方式构成的无线网络。
传感器负责在传感器网络中感知和采集数据,它处于 无线传感器网络的感知层,是
识别物体、采集信息的设备。
无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点等几部分组成。
无线传感器网络在没有进行网络拓扑修改之前支持 级路由、 !!! 个网络节
点。
"""#$%!%& 工作组主要负责制定 层和 层的协议,其余协议主要参照和采用现有
的标准,高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由 联盟负责。
"""#$%!%& 工作在工业科学医疗(')频段,总共分配了 个具有 种速率的信道。
%&( 频段,共有 !) 个信道,信道通信速率为 *+,。
-! 频段,共有 ! 个信道,信道通信速率为 &*+,。
$)$ 频段,共有 ! 个信道,信道通信速率为 *+,。
无线传感器网络系统统一使用 %&( 频段。
抗同频干扰。
"""#$%!%& 物理层在碰撞避免机制('.中提供空闲信道评估()的能力。
"""#$%!%& 信道(/!、!)、!、)落在 个 """#$%!! 信道的频带间距上,将这些
信道作为 """#$%!%& 网络工作信道可以将系统间的干扰降至最小。
网格或树型网络可以有多个 路由器。 星型网络不支持 路由器。
全功能设备()和精简功能设备()。
支持星型、树型和网状(,0)拓扑结构。
星型网络缺点:节点之间的数据路由只有唯一的一个路径,协调器有可能成为整个网络的
瓶颈。
树型网络缺点1信息只有唯一的路由通道。另外,信息的路由是由协议层处理的,整个路由
过程对于应用层是完全透明的。
网状网络优点:路由节点可以直接通信,而且一旦一个路由路径出现了问题,信息可以自
动地沿着其他的路由路径进行传输。
网状网络可以通过“多级跳”的方式来通信,具备自组织和自愈能力。
星型和树型网络适合点对点、距离相对较近的应用。
无线传感器网络的应用:
环境监测:常见的环境监测场景有水污染监测、空气质量监测、精细农业操作与动物生
活习性监测等。
由于环境监测系统对信息传输的延迟要求不高,设计系统面临的主要问题是,如何在
保证应用需求的情况下调度节点最大化网络寿命。
安全防卫:常见的安全防卫场景有边境防护、战场环境监控、机场防护与建筑物监控等。
安全防卫对入侵者的定位精度及信息的实时传输要求较高,因此,系统设计面临的主
要问题是,如何确保入侵者的检测与定位跟踪,以及如何实时汇报入侵者的位置信息给基
站。
智能家居:通过在家电中嵌入传感器节点,可以将屋内所有的设备联系在一起组成传感
器网络,从而为人们提供更加舒适方便的智能家居环境。
如何实现多设备互联是智能家居应用中面临的主要设计问题。
医疗护理:将传感器节点安装在老年人或者病人的身体上,实时汇报身体状态信息,医
生通过远程的方式了解病人的实时状况,并采取相应的医疗措施。
设计适合采集身体状况数据的节点与建立有效的医疗系统是医疗护理应用面临的主要
问题
目标跟踪与定位:目标跟踪是指当目标在部署区域移动时,不断有传感器节点检测到目
标,估计目标位置并实时汇报目标位置给基站。
如何能有效地调度节点跟踪目标的同时实时汇报目标位置到基站,是目标跟踪与定位
应用面临的主要问题。
ZigBee 无线传感器网络入门
1. 硬件资源
节点芯片选型
目前,在物联网领域应用较为广泛的有 2 公司的 '& 系列,+34 公司的 5 系列、
! 系列,678609 公司的 系列等。
无线传感器网络的二次开发硬件支持主要包括核心板硬件资源和底板硬件资源
两部分。
核心板硬件资源
是用于 """#$%!%&# 和 &" 应用的一个真正的 '8 解决方案。
结合了 收发器、$!:、系统内可编程闪存及 $#。
有 & 种不同的闪存版本即 )&!$)。
) 结合了 2 公司在业界领先 的黄金单元 协议栈(;'+<6*.=提供了
解决方案。
)& 结合了 2 公司的黄金单元 382,更好地提供了完整的 #&" 远程
控制解决方案。
芯片系列中使用的 $!: 内核是一个单周期的 $! 兼容内核。它有 种不
同的内存访问总线:特殊功能寄存器(')、数据(2)和代码外部数据(>"
?2)。中断控制器总共提供 !$ 个中断源,分为 ) 个中断组,每个中断组与 & 个中断优
先级之一相关。
2. 软件资源
ZigBee 协议栈选型
!% 非开源的协议栈:7,6<4 解决方案中最简单的 解决方案就是 ' 协议,是
面向简单的点对点应用。7,6<4 完整的 协议栈为 '+<6* 协议栈,也是最复
杂的协议栈。
% 半开源的协议栈:2 公司开发的是一个半开源的 协议栈,是一款免费的
协议栈,它支持 和 > 栈,并向后兼容 ) 和 &。;
'+<6* 内嵌了 >' 操作系统,标准的 语言代码,使用 开发平台,比较容易学习,
是一款适合工业级应用的 协议栈。
% 开源的协议栈:7<* 是一个彻底开源的 协议栈,配合 68@A* 操作系统,对于
初学者来说比较容易上手,适合用来学习。
3. 协议栈目录结构
!% 99 应用层目录:一般我们都是在 99 应用层目录下编写自己的应用程序源代码。
% 硬件层目录():8338@ 目录下的文件是公用文件,基本上与硬件无关,其中
0<4B<,,7+%6 是测试文件,用于调试;0<4BC7D7,%6 是驱动文件,抽象出与硬件无关的驱动函
数,包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。
而 @64EC 目录下的文件是跟硬件平台相关的,包含各个硬件模块的头文件。
2<7+ 目录下有 2 公司的 种版型,分别为 、 和 "。
% 介质访问控制层(): 层分为 0#D4 和 8F#D4 两个目录表示 层的
高层和底层。
@64EC 目录下包含 层的参数配置文件和 的 库函数接口文件。
&% 监控调试层目录(2):该目录下的文件主要用于调试目的,即实现通过串口调试各
层,与各层进行直接交互。
% 网络层目录():网络层配置参数文件、网络层库的函数接口文件,及 ' 层库
的函数接口。
)% 协议栈的操作系统目录(>'):该层主要是 ;'+<6* 协议栈的操作系统对硬件的管理
和封装。
% 应用框架层目录():78G4 文件夹下包含 层处理函数接口文件。
$% 安全层目录:'6E7+H 文件夹下包含安全层处理函数接口文件。
-% 和 $%!%& 设备的地址处理函数目录:'7D6, 文件包括地址模式的定义及地址
处理函数。
!% 工程配置目录:2884, 文件包括空间划分及 ;'+<6* 相关配置信息。
!!% 设备对象(>):它是一种公共的功能集,方便用户用自定义的对象调用 '
子层的服务和 层的服务。
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