传感器网络设计

传感器网络设计 无线传感器网络的特点 ZigBee技术概述 TI CC2530 ZigBee芯片介绍 无线传感器网络实验箱介绍

无线传感器网络 传感器网络的发展历程分为以下三个阶段：传感器→无线传感器→无线传感器网络。 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

ZigBee联盟 国际著名SoC半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者成立了一个非牟利业界组织 ZigBee联盟，目的在于制定一个基于IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用技术——ZigBee 。生产商可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种无线产品。 ZigBee Alliance http://www.zigbee.org

ZigBee技术有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现网络通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。 ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一 项标准，被称作IEEE802.15.4 (ZigBee) 技术标准。 ZigBee是一种低速无线个域网（Low Rate Wireless Personal Area Network, LR-WPAN）技术。

Zigbee是IEEE 802.15.4的扩展 ZigBee不仅只是IEEE802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，而ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。 ZigBee联盟还开发了安全层。

PHY物理层，MAC介质访问控制层 NWK网络层/安全层 APL应用层，由APS（应用支持子层）、ZDO（ZigBee设备对象）和制造商定义的应用对象组成。

Zigbee技术的表现形式 由各种软件代码分层次组成的软件协议栈。 代码分类：应用层、 应用安全层、网络层、MAC层等等。 代码形式：源代码和库文件。

协议栈各层功能介绍 PHY定义ZigBee设备的工作频段2.4GHz。 MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信。 SAP（服务接入点）是为某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee的不同层与 MAC通过SAP进行连接。 应用层由用户开发提供功能服务函数。 安全服务提供层提供信息安全加锁服务。

协议栈核心—网络层 ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其它节点、路由查找以及传送数据等功能，支持星型（Star）、树型（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构

ZigBee支持的多种网络拓扑结构

ZigBee节点类型与功能 协调器（Coordinator） 路由器（Router） 终端设备（End Device） 上电启动和配置网络（例如设定网络标示符 ，选择信道），一旦完成后相当于路由器功能。 路由器（Router） 允许其他网络设备加入 多路跳由 协助电池供电的子节点通信 自己作为终端节点应用 终端设备（End Device） 向路由节点传递数据，可选择睡眠与唤醒。

ZigBee与简单无线通讯的区别 简单的点到点、点到多点通讯（目前很多这样的数传模块），其包装结构比较简单，主要由同步序列，数据，校验几部分组成。ZigBee采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间、地址、命令、同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，而这正是ZigBee可以实现网络组织管理，实现高可靠传输的关键。

ZigBee技术特点 低功耗 低成本 低速率 近距离 在低耗电待机模式下，2 节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。相比较，蓝牙节点能工作数周，WiFi节点可工作数小时。 低成本 通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ，降低了对通信控制器的要求，在8位微控制器8051上实现全功能的主节点大约需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。每块芯片的价格约为2 美元。 低速率 Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps (2.4 GHz)、40kbps (915 MHz)和20kbps (868 MHz) 的原始数据吞吐率，可满足低速率传输数据的应用需求。 近距离 传输范围一般介于10～100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1～3 km。 这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

ZigBee技术特点 短时延 高容量 高安全 免执照频段 Zigbee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s，WiFi 需要3 s。 高容量 Zigbee 可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点的大网。 高安全 Zigbee 提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。 免执照频段 采用直接序列扩频（DSSS）工作在 ISM 频段：2. 4 GHz （全球） 、915 MHz（美国）和868 MHz（欧洲） 。 此三个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6 MHz、2 MHz和5 MHz，分别有1个、10个和16个信道。

ZigBee SoC CC2530介绍 RF/布局布线 低功耗 微控制器 外围设备 2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容RF收发器，可编程的输出功率高达 4.5 dBm。 QFN40 封装，尺寸6mm × 6mm，只需极少的外接元件。 低功耗 电源电压范围2 V ~ 3.6 V。 主动模式RX（CPU 空闲）24 mA；主动模式TX在1 dBm 输出功率（CPU 空闲）29 mA；电源模式1（4us 唤醒）0.2 mA；电源模式2（睡眠定时器运行）1uA；电源模式 3（外部中断）0.4 uA。 微控制器 高性能、低功耗的具有代码预取功能的8051微控制器内核。 32/64/128/256 KB 在系统可编程Flash。 8 KB超低功耗SRAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力。 外围设备 具有 8 路输入并可配置的 12 位 ADC。 高级加密标准(AES)安全协处理器。 电池监视器和温度传感器。 21 个通用 I/O 引脚；2个支持多种串行通信协议的USART。

CC2530系统框图

ZigBee开发工具 CC2530 ZigBee开发套件 支持RF4CE的CC2530 RemoTI开发套件 SmartRF软件 数据包嗅探器 IAR Embedded Workbench

利用Z-Stack开发ZigBee应用 Z-Stack是TI公司提供的实现ZigBee通信功能的协议栈。 从Z-Stack2006版本开始，Z-Stack运行于OSAL之上。 OSAL（Operating System Abstraction Layer）是以实现多任务为核心的系统资源管理机制。 Z-stack 的主要工作流程分为系统启动、驱动初始化、OSAL初始化和启动、进入任务轮循几个阶段。

Z-Stack软件架构

物联网实验箱介绍 型号：北京博创科技IOT-A8-II型物联网综合教学实验平台 功能与配置 Cortex A8芯片S5PV210核心板作为嵌入式网关，提供液晶屏显示和LAN、GPRS、USB接口。 1个ZigBee协调器，5个ZigBee终端。 1个Bluetooth主模块和1个Bluetooth从模块。 10种传感器模块，可连接到ZigBee和Bluetooth模块，可用电池或USB接口供电。 可用仿真器对平台上任何一个无线模块进行在线调试。 1个RFID模块和RFID标签转盘。

物联网实验箱硬件框图

物联网实验箱实物照片