1、本章內容本章內容6.1 技術標準的意義無線傳感器無線傳感器標準化標準化實現(xiàn)規(guī)模效益實現(xiàn)規(guī)模效益降低產品成本降低產品成本擴大市場擴大市場低成本低成本可大量部署可大量部署無線傳感器網絡無線傳感器網絡6.1 技術標準的意義兩個公認成果是兩個公認成果是IEEE 1451IEEE 1451接口標準和接口標準和IEEE IEEE 802.15.4802.15.4低速率無線個域網協(xié)議。低速率無線個域網協(xié)議。6.1 技術標準的意義6.2 IEEE 1451系列標準1 1、IEEE 1451IEEE 1451標準的誕生標準的誕生目前市場上在通訊方面所遵循的目前市場上在通訊方面所遵循的標準主要包括標準主要包括IE

2、EE 803.2(IEEE 803.2(以太以太網網) )、IEEE 802.4(IEEE 802.4(令牌總線令牌總線) )、IEEE FDDI(IEEE FDDI(光纖分布式數(shù)據(jù)界光纖分布式數(shù)據(jù)界面面) )、TCP/IP(TCP/IP(傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議/ /互互聯(lián)協(xié)議聯(lián)協(xié)議) )等，以此來連接各種變等，以此來連接各種變送器（包括傳感器和執(zhí)行器），送器（包括傳感器和執(zhí)行器），要求所選的傳感器要求所選的傳感器/ /執(zhí)行器必須執(zhí)行器必須符合上述標準總線的有關規(guī)定。符合上述標準總線的有關規(guī)定。6.2 IEEE 1451系列標準 一般說來，這類測控系統(tǒng)的構成可以采用如圖所一般說來，這類測控系

3、統(tǒng)的構成可以采用如圖所示的結構來描述。示的結構來描述。 計算機計算機 路由器路由器 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 其它網絡系統(tǒng)其它網絡系統(tǒng) 壓力壓力 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 智能傳感器節(jié)點智能傳感器節(jié)點 溫度溫度 閥門閥門 繼電器繼電器 控制網絡總線控制網絡總線 6.2 IEEE 1451系列標準現(xiàn)場總線標準不統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準不統(tǒng)一現(xiàn)場總線標準都有自己規(guī)定的通信協(xié)議現(xiàn)場總線標準都有自己規(guī)定的通信協(xié)議互不兼容互不兼容IEEE 1451IEEE 1451標準族標準族 IEEE 1451 IEEE 1451系列標準是由系列標準是由IEEEIEEE儀器和測量協(xié)會的儀

4、器和測量協(xié)會的傳感器技術委員會發(fā)起制訂的傳感器技術委員會發(fā)起制訂的。6.2 IEEE 1451系列標準制訂制訂IEEE 1451IEEE 1451標準的目的標準的目的: :定義一定義一套通用套通用的通信的通信接口接口使變送器使變送器( (傳感器傳感器/ /執(zhí)行器執(zhí)行器) )能夠獨立能夠獨立于網絡于網絡解決不解決不同網絡同網絡之間的之間的兼容性兼容性問題問題互換性與互操作性互換性與互操作性6.2 IEEE 1451系列標準IEEE 1451.1IEEE 1451.1標準的智能變送器模型標準的智能變送器模型網絡硬件網 絡 協(xié) 議 網 絡 協(xié) 議邏 輯 接 口變 送 器 邏 輯接 口 描 述支 持

5、NCAP的 邏 輯 接 口變 送 器 硬 件 接 口規(guī) 范 （ 比 如IEEE1451.2）應 用 軟 件NCAP模 塊微 處理器 硬件變 送 器接 口 應用 軟 件I/O接 口硬 件變 送 器網絡6.2 IEEE 1451系列標準 IEEE 1451IEEE 1451系列標準的組成結構如圖所示，這些標準可系列標準的組成結構如圖所示，這些標準可以在一起應用，構成多種網絡類型的智能傳感器系統(tǒng)，以在一起應用，構成多種網絡類型的智能傳感器系統(tǒng)，也可以單獨使用。也可以單獨使用。6.2 IEEE 1451系列標準IEEE 1451.3IEEE 1451.31.3分布式多點分布式多點系統(tǒng)數(shù)字通系統(tǒng)數(shù)字通信

6、和變送器信和變送器電子數(shù)據(jù)表電子數(shù)據(jù)表格式格式1.4混合模式通混合模式通信協(xié)議和變信協(xié)議和變送器電子數(shù)送器電子數(shù)據(jù)表格式據(jù)表格式IEEE 1451.4IEEE 1451.41.5為智能傳感為智能傳感器的連接提器的連接提供無線解決供無線解決方案方案IEEE 1451.5IEEE 1451.5IEEE 1451.2IEEE 1451.21.2變送器與微變送器與微處理器通信處理器通信協(xié)議和變送協(xié)議和變送器電子數(shù)據(jù)器電子數(shù)據(jù)表格式表格式IEEE 1451IEEE 1451系列標準系列標準 6.2 IEEE 1451系列標準6.3 IEEE 802.15.4標準 IEEE 802.15.4 IEEE 8

7、02.15.4標準定義的標準定義的LR-WPANLR-WPAN網絡具有如網絡具有如下特點：下特點： (1) (1) 在不同的載波頻率下實現(xiàn)在不同的載波頻率下實現(xiàn)20kbps20kbps、40kbps40kbps和和250kbps250kbps三種不同的傳輸速率；三種不同的傳輸速率； (2) (2) 支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構；支持星型和點對點兩種網絡拓撲結構； (3) (3) 有有1616位和位和6464位兩種地址格式，其中位兩種地址格式，其中6464位地址是全位地址是全球惟一的擴展地址；球惟一的擴展地址； (4) (4) 支持沖突避免的載波多路偵聽技術支持沖突避免的載波多路偵聽技術(C

8、SMA-CA)(CSMA-CA)； (5) (5) 支持確認機制，保證傳輸可靠性。支持確認機制，保證傳輸可靠性。6.3.1 IEEE 802.15.4標準概述激活和去活激活和去活無線無線收發(fā)器收發(fā)器1CSMA/CACSMA/CA的空閑信道評估的空閑信道評估4發(fā)送鏈路質量指示發(fā)送鏈路質量指示3信道頻率的選擇信道頻率的選擇5數(shù)據(jù)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)發(fā)送與接收6當前信道的能量檢測當前信道的能量檢測2IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4標準標準6.3.2 物理層信道的頻段中心定義如下信道的頻段中心定義如下( (其中其中k k表示信道編號表示信道編號) )： f fc c=868.3MHZ k

9、= 0=868.3MHZ k= 0 f fc c=906+2=906+2(k(k1)MHz1)MHz k=1,2 k=1,2，1010 f fc c=2405+5=2405+5(k(k11)MHz11)MHz k=11 k=11，1212，26266.3.2 物理層1 1、物理層服務規(guī)范、物理層服務規(guī)范物理層管理物理層管理實體服務訪實體服務訪問點問點無線射頻服務訪問點無線射頻服務訪問點物 理 層 數(shù)物 理 層 數(shù)據(jù) 服 務 接據(jù) 服 務 接入點入點物理層物理層物理層管物理層管理實體理實體物理層的物理層的個域網信個域網信息庫息庫6.3.2 物理層IEEE 802.15.4標準的標準的物理層參考模

10、型物理層參考模型2 2、物理層幀結構、物理層幀結構4字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)1字節(jié)字節(jié)變變 長長前導碼前導碼SFD幀長度幀長度(7位位) 保留位保留位(1位位)PSDU同步頭同步頭物理幀頭物理幀頭PHY負載負載IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4 物理層的幀結構物理層的幀結構6.3.2 物理層1 1、MACMAC層服務規(guī)范層服務規(guī)范MCPS-SAPMLME-SAPPD-SAPMAC通用部通用部分分子層子層M A C 層層管 理 實管 理 實體體M A C 層層的 個 域的 個 域網 信 息網 信 息庫庫PLME-SAP6.3.3 MAC子層IEEE 802.15.4 標準的標準的M

11、AC層組件接口層組件接口2 2、MACMAC層的幀結構層的幀結構 IEEE 802.15.4 IEEE 802.15.4標準的標準的 MACMAC層的通用幀結構層的通用幀結構6.3.3 MAC子層16位位10/20/2變長變長2幀控制幀控制序列號序列號目標目標PAN標識標識目標地址目標地址源源PAN標標識識源地址源地址幀負載幀負載FCS地址域地址域MHRMAC負負載載MFR6.4 ZigBee協(xié)議標準1 1、ZigBeeZigBee的由來的由來 ZigBee ZigBee技術是一種面向自動化技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網絡方案。在價

12、格的無線網絡方案。在ZigBeeZigBee方方案被提出一段時間后，案被提出一段時間后，IEEE 802.1IEEE 802.15.45.4工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作。最終最終ZigbeeZigbee聯(lián)盟和聯(lián)盟和IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4工作組決定合作共同制工作組決定合作共同制定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為定一種通信協(xié)議標準，該協(xié)議標準被命名為“ZigBee”“ZigBee”。6.4.1 ZigBee概述通信速率低于藍牙通信速率低于藍牙不更換電池并且不充電的情況下不更換電池并且不充電的情況下正

13、常工作幾個月甚至幾年正常工作幾個月甚至幾年提供無線通信功能提供無線通信功能通信要求通信要求6.4.1 ZigBee概述數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Zigbee互聯(lián)網互聯(lián)網/語音語音802.11b 傳輸速率傳輸速率藍牙藍牙2 藍牙藍牙1 802.11a/HL2802.11g壓縮視頻文件壓縮視頻文件多通道多通道數(shù)字視頻數(shù)字視頻802.5.3/WIMEDIA傳輸距離6.4.1 ZigBee概述 協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，協(xié)議芯片是協(xié)議標準的載體，也是最容易體現(xiàn)知識產權的一種也是最容易體現(xiàn)知識產權的一種形式。形式。 目前市場上出現(xiàn)了較多的目前市場上出現(xiàn)了較多的ZigBeeZigBee芯片產品及解決方案，有芯片產品及解決方

14、案，有代表性的包括代表性的包括JennicJennic公司的公司的JN5121/JN5139JN5121/JN5139、ChipconChipcon公司的公司的CC2430/CC2431CC2430/CC2431（被（被TITI公司收購）公司收購）和和FreescaleFreescale公司公司MC13192MC13192、EmberEmber公司的公司的EM250EM250等系列的開發(fā)等系列的開發(fā)工具和芯片。工具和芯片。協(xié)議芯片協(xié)議芯片6.4.1 ZigBee概述2 2、ZigBeeZigBee協(xié)議框架協(xié)議框架 完整的完整的ZigBeeZigBee協(xié)議協(xié)議棧自上而下由應用層、棧自上而下由應用

15、層、應用匯聚層、網絡層、應用匯聚層、網絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。數(shù)據(jù)鏈路層可分為成。數(shù)據(jù)鏈路層可分為邏輯鏈路控制子層邏輯鏈路控制子層(LLC)(LLC)和介質訪問控制子層和介質訪問控制子層(MAC)(MAC)。6.4.1 ZigBee概述 直接序列擴頻直接序列擴頻技術可使物理層的技術可使物理層的模擬電路設計變得模擬電路設計變得簡單，且具有更高簡單，且具有更高的容錯性能，適合的容錯性能，適合低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。低端系統(tǒng)的實現(xiàn)。2.4GHz250kbps16信道915MHz40kbps10信道868MHz250kbps單信道 物理層采用直接序列擴頻物理層采用直接序列擴頻(DSS

16、S)(DSSS)技術，定義了三種技術，定義了三種流量等級：流量等級： 6.4.1 ZigBee概述 ZigBee ZigBee的拓撲結構的拓撲結構6.4.1 ZigBee概述 (1) (1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)率只有數(shù)據(jù)傳輸速率低：數(shù)據(jù)率只有10kbps10kbps250kbps250kbps，專注于低傳，專注于低傳輸應用。輸應用。 (2) (2) 有效范圍?。河行Ц采w范圍有效范圍?。河行Ц采w范圍101075m75m之間，具體依據(jù)實際發(fā)射之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定。功率的大小和各種不同的應用模式而定。 (3) (3) 工作頻段靈活：使用的頻段分別為工作頻段靈活：

17、使用的頻段分別為2.4GHz2.4GHz、868MHz868MHz（歐洲）及（歐洲）及915MHz915MHz（美國），均為無需申請的（美國），均為無需申請的ISMISM頻段。頻段。 (4) (4) 省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休省電：由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，眠模式，ZigBeeZigBee可確保兩節(jié)五號電池支持長達可確保兩節(jié)五號電池支持長達6 6個月至個月至2 2年左右的使用年左右的使用時間，當然不同應用的功耗有所不同。時間，當然不同應用的功耗有所不同。3 3、ZigBeeZigBee的技術特點的技術特點6.4.1 ZigBee概述 (

18、5) (5) 可靠：采用碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突?？煽浚翰捎门鲎脖苊鈾C制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 (6) (6) 成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單，降低了成本，另成本低：由于數(shù)據(jù)傳輸速率低，并且協(xié)議簡單，降低了成本，另外使用外使用ZigBeeZigBee協(xié)議可免專利費。協(xié)議可免專利費。 (7) (7) 時延短：設備搜索時延的典型值為時延短：設備搜索時延的典型值為30ms30ms，休眠激活時延的典型值，休眠激活時延的典型值是是15ms15ms，活動設備信道接入時延為，活動設備信道接入時延為15ms15ms。 (8) (8) 網絡容量大：一個網絡容量大：一個Zig

19、BeeZigBee網絡可容納多達網絡可容納多達254254個從設備和一個主個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內可同時布置多達設備，一個區(qū)域內可同時布置多達100100個個ZigBeeZigBee網絡。網絡。 (9) (9) 安全：安全：ZigBeeZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能，加密算法采用提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和認證功能，加密算法采用AES-128AES-128，應用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。，應用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。6.4.1 ZigBee概述 網絡層從功能上為網絡層從功能上為IEEE 802.15.4 MACIEEE 802.15.4 MAC子子層提供支持，為應用層提供合

20、適的服務接口。層提供支持，為應用層提供合適的服務接口。為了實現(xiàn)與應用層的為了實現(xiàn)與應用層的接口，網絡層從邏輯接口，網絡層從邏輯上分為兩個具備不同上分為兩個具備不同功能的服務實體，分功能的服務實體，分別是數(shù)據(jù)實體和管理別是數(shù)據(jù)實體和管理實體。實體。6.4.2 網絡層規(guī)范8位字節(jié)位字節(jié)22ll變長變長幀控制域幀控制域目標地址目標地址源地址源地址半徑半徑序列號序列號幀負載幀負載路由域路由域幀頭幀頭網絡負載網絡負載ZigBee網絡層的幀結構網絡層的幀結構 幀控制域：由幀控制域：由1616位組成，內容包括幀種類、尋址、排序域和其它位組成，內容包括幀種類、尋址、排序域和其它的控制標志位。的控制標志位。 目

21、標地址域：必備，有兩個目標地址域：必備，有兩個8 8位字節(jié)長，用來存放目標設備的位字節(jié)長，用來存放目標設備的1616位位網絡地址或者廣播地址網絡地址或者廣播地址(0 xffff)(0 xffff)。 源地址域：必備，有兩個源地址域：必備，有兩個8 8位字節(jié)長，用來存放發(fā)送幀設備自己的位字節(jié)長，用來存放發(fā)送幀設備自己的1616位網絡地址。位網絡地址。 半徑域：必備，有一個半徑域：必備，有一個8 8位字節(jié)長，用來設定傳輸半徑。位字節(jié)長，用來設定傳輸半徑。 序列號域：必備，有一個序列號域：必備，有一個8 8位字節(jié)長，在每次發(fā)送幀時改為加位字節(jié)長，在每次發(fā)送幀時改為加1 1。 幀負載域：該域長度可變，內容由具體情況決定。幀負載域：該域長度可變，內容由