第5章-ZigBee网络定位PPT推荐.ppt

1、ZigBee技 术 的 物 理 层、MAC层 和 链 路 层 采 用 了IEEE802.15.4（无线个人区域网）协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展。其网络层、应用会聚层和高层应用规范（API）由ZigBee联盟进行了制定。ZigBee是以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、片状或网状网络。其中节点分为精简功能设备和全功能设备（也称为协调器）。5ZigBee的特点突出，尤其在低功耗、低成本低功耗、低成本上，主要有以下几个方面：低功耗低成本低速率近距离短时延高容量高安全免执照频段6自组网组织通信自组网组织通信1.ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？技术为什么要使用自组织

2、网来通信？网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，因此需要自组网来通信。自组织网要采用动态路由的方式，动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。72.ZigBee无线数据传输网络描述无线数据传输网络描述简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由

3、可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。83.ZigBee的频带的频带（1）868MHZ传输速率为20KB/S适用于欧洲（2）915MHZ传输速率为40KB/S适用于美国（3）2.4GHZ传输速率为250KB/S全球通用基于IEEE802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30-50米作用距离，在室外如果障

4、碍物少，甚至可以达到100米作用距离。所以ZigBee可归为低速率的短距离无线通信技术。9ZigBee产品及其典型应用产品及其典型应用ZigBee主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据。根据设想，它的应用目标主要是：工业控制（如自动控制设备、无线传感器网络），医护（如监视和传感），家庭智能控制（如照明、水电气计量及报警）消费类电子设备的遥控装置，PC外设的无线连接等领域。ZigBee是一种崭新的，专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。ZigBee也是目前嵌入式应用的一个大热点。10正是因为Zi

5、gBee具有广阔的市场前景，所以引来了全球众多厂商的青睐，纷纷推出各种ZigBee无线芯片，无线单片机，ZigBee开发系统，形成了百花争艳的市场局面。目前提供ZigBee技术的方式有三种：（1）ZigBeeRF+MCU（2）单芯片集成SOC（3）单芯片内置ZIGBEE协议栈外挂芯片11ZigBee网络网络ZigBee网络构成网络构成ZigBee设备是指包含IEEE802.15.4的MAC和PHY实现的实体,是ZigBee网络最基本的元素。全功能设备FFD和精简功能设备RFD共同组成了ZigBee网络。ZigBee网络主要有三种组网方式阴,星型网络,树状网络和网格型网络。12网络组建及节点入网

6、网络组建及节点入网按照节点的不同，有不同的网络组建方法：（l）协调器组建网络（2）终端节点加入网络13ZigBee技术的应用场合技术的应用场合ZigBee的目标是建立一个“无所不在的网络”。与其他技术不同ZigBee技术,向着低速率短距离迈进。这种特点适应了以下几种场合的应用:（l）无线传感器网络（2）工业自动化领域（3）智能家庭（4）医疗领域（5）军事领域145.2 ZigBee协议协议ZigBee协议栈基于标准的OSI七层模型，但只是在相关的范围来定义一些相应层来完成特定的任务。IEEE 802.15.42003标准定义了下面的两个层：物理层（PHY层）和媒介层（MAC层）。ZigBee联

7、盟在此基础上建立了网络层（NWK层）以及应用层（APL层）的框架（framework）。15ZigBee协议栈结构165.2.1 物理层与媒体访问控制层物理层与媒体访问控制层1 物理层物理层（PHY）IEEE802.15.4协议的物理层是协议的最底层，承担着和外界直接作用的任务IEEE802.15.4有两个PHY层，提供两个独立的频率段：868/915MHz和2.4GHz。2 媒体访问控制层媒体访问控制层（MAC）MAC层遵循IEEE802.15.4协议，负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送和接收，可选时隙，实现低延迟传输，支持各种网络拓扑结构，网络中每个设备为16位地

8、址寻址。可完成对无线物理信道的接入过程管理175.2.2 网络层网络层 网络层的作用是：建立新的网络、处理节点的进入和离开网络、根据网络类型设置节点的协议堆栈、使网络协调器对节点分配地址、保证节点之间的同步、提供网络的路由。网络层确保MAC子层的正确操作，并为应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层用数据服务和管理服务这两个服务实体来提供必需的功能。网络层数据实体（NLDE）通过相关的服务接入点（SAP）来提供数据传输服务，即NLDESAP；网络层管理实体（NLME）通过相关的服务接入点（SAP）来提供管理服务，即NLMESAP。NLME利用NLDE来完成一些管理任务和维护

9、管理对象的数据库，通常称作网络信息库。5.2.3应用层185.2.3 应用层应用层根据实际具体应用，应用层（APL层）主要由用户开发。它维持器件的功能属性，发现该器件工作空间中其他器件的工作，并根据服务和需求在多个器件之间进行通信。ZigBee的应用层由应用子层（APSsubdayer）、设备对象（ZDO，包括ZDO管理平台）以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用包括维护绑定表、在绑定设备间传输信息。ZDO的作用包括在网络中定义一个设备的作用、发现网络中的设备并确定它们能提供何种服务、起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。191 应用支持子层应用支持子层（APS层层

10、）应用支持子层在网络层和应用层之间提供了一个接口。2 应用层框架应用层框架（application framework）ZigBee应用层框架是应用设备和ZigBee设备连接的环境。3 ZigBee设备对象设备对象（ZDO）ZigBee设备对象（ZDO）描述了一个基本的功能函数类，在应用对象、设备profile和APS之间提供了一个接口。4 ZigBee安全管理安全管理安全层使用可选的AES-128对通信加密，保证数据的完整性。ZigBee安全体系提供的安全管理主要是依靠相称性密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。205.2.4其他其他1 MAC层安全管理层安全管理当MAC

11、层数据帧需要被保护时，ZigBee使用MAC层安全管理来确保MAC层命令、标识、以及确认等功能。Zigaee使用受保护的MAC数据帧来确保一个单跳网络中信息的传输，但对于多跳网络，ZigBee要依靠上层（如NWK层）的安全管理。2 NWK层安全管理层安全管理NWK层也使用高级编码标准（AES），但和MAC层不同的是标准的安全组全部是基于CCM模型。此CCM模型是MAC层使用的CCM模型的小修改，它包括了所有MAC层CCM模型的功能，此外还提供了单独的编码及完整性的功能。215.3ZigBee定位算法利用无线信号强度定位算法主要有传播模型法和指纹识别法。传播模型法是建立无线信号在环境中的传播模型

12、，主要有经验模型、确定模型、统计模型，根据所建模型来确定待测点位置。但无线信号在室内通常发生反射、折射、衍射，产生多路径效应，因而很难通过模型准确描述无线信号的传播情况，使得模型定位法的精度不高，误差在5米以内。22指纹识别法可分为两个过程:离线校准阶段和在线定位阶段。235.4ZigBee网络定位应用实现ZigBee采用的定位方式是RSSI，信号的强度会随着距离的增大而减小。定位系统由盲节点（即待定位节点）和参考节点组成，为了便于用户获得位置信息，还需要一个与用户进行交互的控制终端和一个ZigBee网关。参考节点是一个位于已知位置的静态节点，这个节点知道自己的位置并可以将其位置通过发送数据包

13、通知其他节点。盲节点从参考节点处接收数据包信号，获得参考节点位置坐标及相应的RSSI值并将其送入定位引擎，然后可以读出由定位引擎计算得到的自身位置。由参考节点发送给盲节点的数据包至少包含参考节点的坐标参数水平位置X和竖直位置Y，而RSSI值可由接收节点计算获得。24一般来说参考节点越多越好，要得到一个可靠的定位坐标至少需要3个参考节点。如果参考节点太少，节点间影响会很大，得到的位置信就不精确，误差大。为了收集计算得到的数据和与无线节点网络交互，特定的控制系统是必需的。一个典型的控制单元是一台计算机，然而一个PC没有一个嵌入的无线接收器，因此接收器需要从外部接入，还需要一个ZigBee网关。Zi

14、gBee网关的作用就是将无线网络连接到控制终端，所有位置计算都由盲节点来实现，所以控制终端不需要具备任何位置计算功能。它的唯一目的是让用户和无线网络进行交互，比如获得盲节点的位置信息。255.5基于ZigBee技术的煤矿井定位系统鉴于煤矿生产的特殊性，各种矿井重大灾害和伤亡事故随时都有可能发生，国家对它的安全生产要求越来越严格。但是，当前的煤矿井下普遍存在入井人员管理困难，无法及时准确掌握井下人员的作业情况和动态分布，尤其在发生突发事件时，难以迅速判断险区人员的数量、位置和身份，不能及时准确地制定救援方案。因此，井下人员定位系统的研制对煤矿行业显得尤为迫切。整个系统由井上和井下两部分设备组成。

15、井上部分包括工控机（服务器）、以太网相关设备及远程终端；井下部分由CAN节点、双绞线（符合矿用阻燃标准）、中继器、无线基站等构成。26硬件设计硬件设计1身份卡和无线基站身份卡和无线基站身份卡和无线基站的硬件大体相同，只是无线基站比身份卡多一外部存储器，主要用于存储接收到的移动目标信息。2 CAN节点硬件设计节点硬件设计CAN节点是系统硬件设计的核心部分，它起着承上启下的作用。它既是井下ZigBee网络中协调器（Co-ordinator），又是CAN网络的一个端节点。因此，它主要完成ZigBee网络的组织者、ZigBee协议与CAN数据协议转换功能。273 CAN适配卡适配卡适配卡使用广州周立功公司生产的PCI-5121，它是一款具有PCI接口的高性能双路CAN总线通信适配卡，符合PCI2.1规范，实现完全电气隔离的CAN接口/PCI控制电