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1、ZIGBEE无线传感网概述授课内容Zigbee AllianceIEEE802.15.4无线个人局域网络的架构物理层(PHY)-IEEE802.15.4媒体存取层(MAC)-IEEE802.15.4Zigbee网络层Zigbee应用层Zigbee协议堆栈Zigbee AllianceIEEE 802.15.4Zigbee的命名自于蜜蜂，蜜蜂成群飞行的样子看似混乱，但实际上蜜蜂是将花与其它蜜蜂的信息互相传递，Zigbee技术则是将此模拟，将A装置的讯号无线传递给B装置。Zigbee的技术包含了两种不同的组织所制定的通讯规范:一则是Zigbee IEEE802.15.4协议，定义了物理层(PHY)
2、，媒体存取控制层媒体存取控制层(MAC)。另一则是Zigbee Alliance 所主导之标准，定义了网络层(Network Layer NWK)，安全层(Security Layer)，应用层(Application Layer)。Zigbee技术可应用的领域ZigBee/IEEE802.15.4规格架构IEEE 802.15.4无线个人局域网络的架构无线个人局域网络的架构一般在IEEE 802.15.4网络拓朴上，功能方面又可区分为两种型态全功能装置(Full-Function Device；FFD)FFD之节点具备控制器之功能提供资交换精简型装置(Reduced-Function Dev
3、ice；RFD)RFD则是只能单纯地传送资给予FFD或是从FFD接受简单资。RFD多用在简单的电灯开关或是感测节点的侦测上。IEEE 802.15.4网络拓朴上，可以包含三种角色：个人局域网络协调者个人局域网络协调者(PAN 协调者协调者):主要作为中央控制用,负责型成网络拓朴,协调网络中各成员之流量,PAN 协调者需为FFD来担任路由器:负责管控一部份网络成员的流量,发送与接收控制命令与发送数据,是管理权限最高的装置,亦须由 FFD来担任终端机(Device):网络的最终端节点有时也称为End Device通常只负责发送与接收数据,可为RFD或FFD一般在IEEE 802.15.4网络拓朴上
4、，功能方面又可区分为两种型态全功能装置(Full-Function Device；FFD)FFD之节点具备控制器之功能提供资交换精简型装置(Reduced-Function Device；RFD)RFD则是只能单纯地传送资给予FFD或是从FFD接受简单资。RFD多用在简单的电灯开关或是感测节点的侦测上。IEEE 802.15.4网络拓朴图星状拓朴星状拓朴 对等式拓朴对等式拓朴Zigbee AllianceIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4无线个人局域网络的架构无线个人局域网络的架构物理层(PHY)-IEEE802.15.4媒体存取层(MAC)-IEEE802.15.4Zigb
5、ee网络层Zigbee应用层Zigbee协议堆栈物理层(PHY)-IEEE 802.15.4ZigBee的通信频率在物理层规范。ZigBee根据不同的国家、地区，为其提供了不同的工作频率范围，分别为2.4 GHz和868915 MHz。IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4 GHz物理层和868915 MHz物理层。两个物理层都基于直接序列展频(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技术。ZigBee无线通道的组成表无线通道的组成表通道编号通道编号中心频率，中心频率，MHz通道间隔，通道间隔，MHz频率上限，频率上限，MHz频率下限，频
6、率下限，MHzK-0868.3868.6868.0K-1,2,3，10906+2(K-1)2928.0902.0K-11,12,13，262401+5(K-11)52483.52400.02.4GHz波段为全球统一,及无需申请之全球通用ISM频段,有助于zigbee的推广以及降低成本2.4G物理层之特性:250Kbps之数据传输数率,提高数据传输量以及降低传输延迟,因而更加省电在物理层中存在有数据服务存取点和物理层管理物理服务的存取点。透过这两个服务存取点来提供如下服务：物理层数据存取服务(PHY data service)：透过物理层数据服务存取点(PD-SAP，Server Access
7、Point)为物理层数据提供服务。物理层管理服务(PHY management service)：透过物理层管理物理(PLME)服务的存取点(PLME-SAP)为物理层管理提供服务。IEEE 802.15.4物理层结构模型物理层结构模型Zigbee AllianceIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4 无线个人局域网络的架构物理层(PHY)-IEEE802.15.4媒体存取控制层(MAC)-IEEE802.15.4Zigbee网络层Zigbee应用层Zigbee协议堆栈在媒体存取控制层两个不同服务的存取点提供两种不同的媒体存取控制子层服务。媒体存取控制资服务(MAC data
8、service)媒体存取控制管服务(MAC management service)Zigbee AllianceIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4 无线个人局域网络的架构物理层(PHY)-IEEE802.15.4媒体存取控制层(MAC)-IEEE802.15.4Zigbee网络层Zigbee应用层Zigbee协议堆栈ZigBee网络层(NWK)ZigBee装置对象则是负责定义装置在网中扮演的角色，初始化并针对连接（binding）需求做响应，将网中的装置建起安全性关系，找出网中的装置并决定它们提供何种服务。ZigBee协调者需做到PAN协调者的所有工作，且仅能用全功能型装置(
9、FFD)实作ZigBee终端装置可用FFD或RFD 实作ZigBee路由器就是一个IEEE 802.15.4-2003协调者，需用FFD实作，负责绕送讯息与提供连结。三种装置的功能分类表三种装置的功能分类表动作ZigBee协调者ZigBee路由器ZigBee终端装置加入一个网络脱离一个网络允许装置加入网络允许装置脱离网络参与分布式逻辑网络地址指派维护邻居装置纪表起动一个新网络ZigBee网络拓朴图网络拓朴图ZigBee网络层服务分为大：网络层数据传送服务与网络层管理服务，分别由个物理：网络层数据实体（Layer Data Entity，NLDE)与网络管理层实体（NWK Layer Manag
10、ement Entity，NLME)实现而其服务存取点接口分别为NLDE-SAP 与NLME-SAP。在网络层中也有一个用储存网络层属性的小型资库NWK IB(NIB)。ZigBee网络层参考模型Zigbee AllianceIEEE 802.15.4IEEE 802.15.4 无线个人局域网络的架构物理层(PHY)-IEEE802.15.4媒体存取控制层(MAC)-IEEE802.15.4Zigbee网络层Zigbee应用层Zigbee协议堆栈ZigBee应用支持层(APS)概念应用支持层提供了这样的接口：在网络层和应用层之间，从ZigBee装置对象到制造商的应用对象的通用服务集。该服务由两
11、个物理来实现：应用支持数据物理(APSDE)APSDE透过APSDE服务存取点(APSDE-SAP)应用支持管理物理(APSME)APSME透过APSME服务存取点(APSME-SAP)ZigBee 应用支持子层的构成和界面应用支持子层的构成和界面ZigBee协议堆栈ZigBee装置对象可是ZigBee网络装置的主要管理者，应用架构可以是容纳非ZigBee 网络装置的集合，在ZigBee网世界中，我们可是由ZigBee装置对象管应用架构中的应用对象。其中，包含了种对象，一个是ZigBee装置对象(ZigBee Device Object，ZDO)，另一个是应用对象(Application Ob
12、ject)；也有种模型（profiles），一个是ZigBee装置模型，另一个则是应用模型。应用Zigbee协议的设备物理WSN Zigbee无线传感器网络 ZigbeeWSN Zigbee全名为Wireless Sensor Network Zigbee,系利用装备有传感器(例如:温湿度传感器,红外线传感器,太阳能传感器,等)的子节点(终端机或路由器)和连接到采集系统的父节点(协调者)利用Zigbee无线通讯网路协议来架设的应用装置,协调者将来自主系统(PC)的命令利用RF射频传送到装有传感器的子节点,子节点再利用RF射频联机方式将感测值数据传递回协调者,其中网络拓墣中的线段皆是采用RF射频
13、联机技术,属无线传输Wireless Sensor Network由于近来微型制造的技术、通讯技术及电池技术的改进，促使微小的传感器，可具有感应、无线通讯及处理信息的能力。此类传感器不但能够感应及侦测环境的目标物及改变，并且可处理收集到的数据，并将处理过后的资料以无线传输的方式送到数据收集中心或基地台（base station）。sensor network的特点与限制但是受限于sensor本身是用电池来供应运作所需的能量以及无线电传输的距离的限制(一般而言传输距离从数公尺到一百公尺不等)。为了节省传输时的能量消耗以及距离的问题，因此sensor如果距离基地台太远时，传感器需要藉由多重跳跃代传
14、机制（multiple-hop relay）建立网络路由（routing）的方法将数据经由多个传感器组成的路径传回基地台。此类传感器多为微小及便宜的装置，因而可大量放置于环境中形成一个无线传感器网络(wireless sensor network)以便进行监控任务，其放置的密度端看所需的应用为何，可大可小。由于传感器网络的节点个数从数百至数十万皆有可能，使得网络的管理非常困难，每个sensor都是独立的个体，形成一个复杂的分布式环境(distributed environment)，加上sensor的电池可能无法置换，因此能量控制(energy control)几乎是所有sensor设计及网络
15、管理首要考虑的重点。sensor为嵌入式系统的装置，它们故障的机会相形提高，因而容错（fault tolerant）机制于传感器网络的设计及管理亦不可或缺。sensor network的应用由于sensor network的应用潜力广泛，以下分为五大类加以描述其应用及潜力：军事应用Sensor network 的军事应用十分广泛，其中包含：在友军的人员、装备及军火上加装sensor以供识别。监控战场上的状态。将sensor投掷于敌军阵营中。在被敌军破坏前，希望能完成侦察任务。当智能型军火的导引器。侦察及判定核子、生物和化学攻击。环境应用sensor network也能在环境上大量应用。例如：将
16、数百个sensor布署于森林中，以对任何火灾地点的判定提供最快的讯息。sensor network能提供遭受化学污染的位置及检定出何种化学污染，不需要人亲自冒险进入受污染区。水灾判定。监测空气污染、水污染及土壤污染。生态上的监控，例如生物栖息地与觅食习惯。健康应用将sensor network布署于房子里及人的身上，而达到远距监测人体各项健康数据及人的各项行为的目的。sensor可放在病人或药师身上，如此错误的药物处方或是病人拿错药的机会可以降低。家庭应用将含有起动器(actuator)的sensor network布署于家中，可以让人们在远方或在家里经由因特网作许多家事。其它商业应用无线传感
17、器网络也有许多商业上的应用。例如：工厂自动化的生产在线的品管控制，利用sensor去侦测不良品。传统办公室的空调系统是中央控制，因此有些地方可能很冷，有些地方却很热。使用sensor network，各个角落的sensor可以知道当时的环境状况，进而要求控制当时的气温或空气流动。监控车辆或商品的失窃。车辆的追踪和交通流量的控制。Zigbee Location无线定位仪 Zigbee此为Zigbee的第二种应用方式,用可以计算方位的芯片装备在Zigbee系统上,此套Zigbee可在设定的空间位置内监视目标所在的方位,当目标有所移动,PC端监测程序也可以利用Location Dongle监测到移动
18、并呈现在PC屏幕上,主要可应用在老人赡养院,各大监狱,或医院内监视病患活动情形等ZigBee 无线定位开发系统是目前市场上在最短时间内开发全面ZigBee 无线定位系统应用的最强大的工具之一，采用德州仪器公司（TI）的CC2430 和CC2431 无线ZigBee 芯片上系统，结合符合ZigBee-2006 协议规范的Z-Stack 协议堆栈，使用者可用进ZigBee-2006网网立即寻址系统的开发。网状网络定位系统网状网络定位系统参考节点，用来计算位置参考节点，用来计算位置(最多最多16 个个)Zigbee 网络中的节点盲节点盲节点(必须使用必须使用CC2431)将计算他自己的位置将计算他自己的位置连接设备连接设备(PC、PDA 等等等等)