ZigBee无线传感网络概述

ゞ浴缸里的玫瑰 2023-10-04 14:59 47阅读 0赞

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#### 目录 ####

*  1.ZigBee无线传感网络概述
 *   *  1.1.定义
     *  1.2.ZigBee无线传感网络的特点
 *  2.ZigBee无线传感网络的组成
 *   *  2.1.ZigBee无线传感器网络的组成
     *  2.2.ZigBee无线传感网络系统结构
     *  2.3.ZigBee无线传感器网络工作流程
 *  3.ZigBee无线传感网络的通信协议架构
 *   *  3.1.概述
     *  3.2.信道分析
     *  3.3.ZigBee网络号→PANID（网络ID）
     *  3.4.ZigBee的地址
     *  3.5.ZigBee地址的设备类型
 *  4.ZigBee无线传感网络拓扑结构
 *   *  4.1.星型拓扑
     *  4.2.树状拓扑
     *  4.3.网状拓扑（Mesh拓扑）
 *  5.ZigBee无线传感网络面临的技术挑战和趋势
 *   *  5.1.技术挑战
     *  5.2.发展趋势
 *  6.ZigBee无线传感网络的应用

## 1.ZigBee无线传感网络概述 ##

### 1.1.定义 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

由大量传感器节点通过无线通信技术构成的基于IEEE802.15.4标准的短距离、低速率的自组织多跳网络

> 1.  短距离无线通信技术标准：Wi-Fi、无线USB、蓝牙、红外无线技术
> 2.  三大技术：传感器、微机电、网络
> 3.  功能：感知、采集、处理、传输覆盖范围内感知对象的信息，并转发给用户
> 4.  以数据为中心的信息系统

### 1.2.ZigBee无线传感网络的特点 ###

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th align="left">低功耗</th> 
   <th align="left">低成本</th> 
   <th align="left">时延短</th> 
   <th align="left">数据传输速率低</th> 
   <th align="left">网络容量大</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left">工作周期较短、收发信息功耗低、休眠的工作模式</td> 
   <td align="left">协议简单、所需的存储空间小</td> 
   <td align="left">通信时延、从休眠到激活状态的时延都很短</td> 
   <td align="left">10~250kbit/s，专注低传输应用、可靠性高</td> 
   <td align="left">一个ZigBee设备可与254个设备相连；一个ZigBee网络可容纳65536个从设备和一个主设备；一个区域内可同时存在100个ZigBee网络</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><strong>有效范围小</strong></td> 
   <td align="left"><strong>工作频段灵活</strong></td> 
   <td align="left"><strong>兼容性好</strong></td> 
   <td align="left"><strong>安全性高</strong></td> 
   <td align="left"><strong>协议套件紧凑而简单</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left">10~200m</td> 
   <td align="left">2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）、915MHz（美国）</td> 
   <td align="left">与现有的控制网络无缝集成；通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取；提供全握手协议</td> 
   <td align="left">提供了数据完整新检查和鉴权功能；加密算法采用AES-128；各个应用可以灵活确定其安全属性</td> 
   <td align="left">具体实现要求很低：套件需要8位微处理器（如8051），全协议套件需要32KB的ROM，最小协议套件需要4KB左右的ROM</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**六个状态**

> 1.  睡眠状态：传感器、通信关闭、能量消耗最低
> 2.  感知状态：传感器开启、通信关闭、节点感知事件发生
> 3.  倾听状态：传感器开启、通信空闲
> 4.  接收状态：传感器开启、通信接受
> 5.  发送状态：传感器开启、通信发送
> 6.  长期睡眠状态：该节点能量处于阈值，不响应任何事件

**ZigBee技术与其他无线通信技术参数的比较**  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

## 2.ZigBee无线传感网络的组成 ##

### 2.1.ZigBee无线传感器网络的组成 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

1.  **路由节点**

> **功能：** 路径选择、数据转发

1.  **传感器节点**

> **功能：** 负责检测区域内数据的采集和处理  
>   
> **组成：** 电源模块（提供能量）、传感器模块（信息采集）、处理器模块（处理数据）、无线通信模块（节点通信交换采集）、嵌入式软件系统（重要支撑）

1.  **网关/协调器（协议转换）**

> **功能：** 1.连接传感器网络、互联网等外部网络，实现几种通信协议之间的转换  
>        2.发布管理节点的检测任务，并把收集的数据汇聚转发到外部网络  
>        3.汇聚节点：**增强功能的传感器节点**，仅有无线通信接口的特殊网关设备

1.  **PC/上位机（数据管理中心）**

> **功能：** 1.负责从网络中获取所需要的信息  
>       2.可以对网络做出反馈、应用支撑技术操作

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

### 2.2.ZigBee无线传感网络系统结构 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]  
箭头表示可以通信

根据功能的完整性可分为FFD与RFD：

**FFD全功能设备：** 协调器、路由器和终端设备

> 相对较强的MCU，具有网络控制功能  
>   
> **一个FFD可以与多个RFD通信或多个FFD通信**

**RFD精简功能设备：** 终端

> 简单控制、数据量小、资源消耗较少，可以采用廉价方案  
>   
> **自身之间不能直接通信，需借助FFD设备中转**

### 2.3.ZigBee无线传感器网络工作流程 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

## 3.ZigBee无线传感网络的通信协议架构 ##

### 3.1.概述 ###

ZigBee以IEEE 802.15.4协议作为基础，使用 **全球免费频段（ISM）** 进行通信  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 6][]

> **IEEE 802.15.4工作组：** 主要负责指定PHY（物理层）和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准  
> **ZigBee联盟：** 负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 7][]

**应用层：** 基于检测任务，开发使用不同的应用层软件  
**传输层：** 负责数据流的传输控制，协作维护数据流，保障通信质量  
**网络层：** 路由与交换  
**数据链路层：** 负责数据流的多路复用、数据帧检测、媒体介入和差错控制，保证无线传感器网络中节点之间的链接  
**物理层：** 数据的解调与调制，目标：低成本、低功耗、小体积

### 3.2.信道分析 ###

频段的划分及其主要内容  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 8][]  
ZigBee无线网络通信信道分析  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 9][]  
ISM频段分布示意图  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 10][]

### 3.3.ZigBee网络号→PANID（网络ID） ###

1.  ZigBee协议使用一个**16bits**的个域网络标识符（PANID）来标识一个网络（0x0000~0xFFFF）

> **一个ZigBee网络有且只能有一个PANID**,由PAN协调器生成，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入哪个网络  
>   
> **避免干扰的方法：不同信道，不同PANID（网络ID）**

1.  Z-Stack允许使用两种**程序控制方式**配置PANID：固定或随机

> **ZDAPP\_CONFIG\_PAN\_ID ≠ 0xFFFF**  
>     PANID = ZDAPP\_CONFIG\_PAN\_ID  
> **ZDAPP\_CONFIG PAN-ID = 0xFFFF**  
>     协调器将根据自身的IEEE地址建立一个**随机**的PANID（0x0000~0x3FFF）

1.  PANID一般在**确定信道之后**出现 。

> 功能：PANID针对一个或多个应用的网络，用于**区分不同的ZigBee网络**  
> 拓扑结构：一般为Mesh或Cluster Tree  
>   
> **过程**：**协议器扫描信道→选择最优→确定信道→确定PANID→建立ZigBee网络→等待其他节点接入**

1.  文件f8wConfg.cfg中可以设置一个**0x0000~0x3FFF**之间的一个值，协调器使用此值，作为它要启动的网络的PANID

### 3.4.ZigBee的地址 ###

在ZigBee无线传感网络中，节点都有2个唯一的地址

> **长地址：** 物理（IEEE或扩展）地址（64位），类似计算机网卡的MAC地址  
>   
> **短地址：** 网络地址（16位）：标识不同的设备，在网络数据传输时指定目的地址

### 3.5.ZigBee地址的设备类型 ###

1.  终端节点（End Device）

> 只负责**环境的检测和数据信息的采集**，一般数量较多，相互之间不能直接通信

1.  路由器节点（Router）

> 负责**数据的转发**，一个路由节点可以与若干个路由节点或终端节点通信

1.  协调器（Coordinator）

> 网络的**控制中心**，负责一个网络的建立，可以与此网络中的所有路由节点或终端节点通信

## 4.ZigBee无线传感网络拓扑结构 ##

### 4.1.星型拓扑 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 11][]  
两个终端节点之间进行通信必须通过协调器进行信息转发

中心化严重，协调器成为系统的瓶颈，安全隐患大

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### 4.2.树状拓扑 ###

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 12][]  
只有唯一的路由通道（无自愈能力）

> 信息的路由是由协议栈层处理的，整个路由过程对于应用层完全透明

**注意：**

> 1.  协调器和路由器可以包含自己的子节点
> 2.  终端节点不能有自己的子节点
> 3.  有同一个父节点的节点称为**兄弟节点**
> 4.  有同一个祖父节点的节点称为**堂兄弟节点**

**树型拓扑通信规则：**

> 1.  每一个节点都只能与其父节点和子节点进行通信
> 2.  如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点，然后再向下传递到目标节点

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### 4.3.网状拓扑（Mesh拓扑） ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

去中心化，自组织多跳网络，具有自愈能力

## 5.ZigBee无线传感网络面临的技术挑战和趋势 ##

### 5.1.技术挑战 ###

1.  能耗：无人值守、户外、长期部署
2.  实时性：问题及时反馈与处理
3.  成本：海量节点
4.  安全：无线、简单设计的要求
5.  协作：多种传感器、多种异构网络共存协调工作

### 5.2.发展趋势 ###

1.  灵活、自适应的网络协议体系
2.  跨层设计
3.  ZigBee标准规范  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 14][]  
    ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 15][]

4.与其他网络的融合  
![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70 16][]

## 6.ZigBee无线传感网络的应用 ##

1.  环境监测
2.  安全防卫
3.  智能家居
4.  医疗护理
5.  目标跟踪与定位

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20210531153813462.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MzU1MTcy,size_16,color_FFFFFF,t_70
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