无线传感网123.docx

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无线传感网123

无线传感网ZigbeeV25

使用指南

上海企想信息技术有限公司

2013年03月

目录

1、无线传感器网络3

1.1无线传感器网络的定义3

1.2无线传感器网络的标准3

2、Zigbee通信协议5

2.1ZigBee信道5

2.2ZigBee的PANID5

2.3ZigBee物理地址5

2.4ZigBee设备类型6

2.5ZigBee网络的形成7

3、ZigbeeV25使用指南8

3.1烧写程序8

3.2参数配置9

3.2.1协调器配置9

3.2.2节点板配置9

3.2.3XML文件配置10

3.3传感控制器连接及系统组网11

3.3.1传感控制器连接11

3.3.2系统组网12

3.4传感数据采集13

3.5设备控制13

4、无线传感网安装15

4.1节点板的安装15

4.2协调器的安装16

4.3设备墙面安装18

1、无线传感器网络

1.1无线传感器网络的定义

微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem,MEMS）、片上系统（SystemonChip,SoC）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络即WirelessSensorNetwork,WSN。

无线传感器网络是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络所有者。

传感器网络实现了数据的采集、处理和传输的三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。

潜在的应用领域可以归纳为:

军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

1.2无线传感器网络的标准

①IEEE802.15.4,属于物理层和MAC层标准，由于IEEE组织在无线领域的影响力，以及TI,ST,Ember,Freescale,NXP等著名芯片厂商的推动，已成为WSN的事实标准。

②Zigbee,该标准在IEEE802.15.4之上，重点制定网络层、安全层、应用层的标准规范，先后推出了Zigbee2004,Zigbee2006,Zigbee2007/ZigbeePRO等版本。

此外，Zigbee联盟还制定了针对具体行业应用的规范，如智能家居、智能电网、消费类电子等领域，旨在实现统一的标准，使得不同厂家生产的设备相互之间能够通信。

值得说明的是，Zigbee在新版本的智能电网标准SEP2.0已经采用新的基于IPv6的6Lowpan规范，随着智能电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标准所取代。

与zigbee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。

③ISA100.11a,国际自动化协会ISA下属的工业无线委员会ISA100发起的工业无线标准。

④WirelessHART,国际上几个著名的工业控制厂商共同发起的，致力于将HART仪表无线化的工业无线标准。

⑤WIA-PA,中国科学院沈阳自动化所参与制定的工业无线国际标准。

此外，互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。

以前许多标准化组织认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的WSN，因此都是采用非IP技术。

在实际应用中，如Zigbee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。

IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比zigbee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。

IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范6Lowpan[4]、面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议RPL[5]、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP[6]，相关的标准规范已经发布[7]。

IETF已组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一些列白皮书[8]。

IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网zigbeeSEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFIDISO1800-7.4（DASH）等。

IPv6/6Lowpan具有诸多优势：

可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而Zigbee技术路由器不能休眠，应用领域受到限制。

6Lowpan已经有了大量开源软件实现，最著名的是Contiki[9]、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。

IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。

2、Zigbee通信协议

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。

根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

2.1ZigBee信道

Zigbee定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。

两者均基于直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术。

ZigBee使用了3个频段，定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。

其中在2.4GHz的物理层，数据传输速率为250kb/s；在915MHz的物理层，数据传输速率为40kb/s；在868MHz的物理层，数据传输速率为20kb/s。

在同一个ZigBee网络中，要求每个节点（包括协调器、路由器和终端节点）都必须保证通道的一致性。

2.2ZigBee的PANID

PANID其全称是PersonalAreaNetworkID，网络的ID（即网络标识符），是针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络，所有节点的PANID唯一，一个网络只有一个PANID，它是由协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入那个网络。

PANID是一个16位标识，范围为0x0000～0xFFFF。

2.3ZigBee物理地址

ZigBee设备有两种类型的地址：

物理地址和网络地址。

物理地址是一个64位IEEE地址，即MAC地址，通常也称为长地址。

64位地址是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有它。

它通常由制造商或者被安装时设置。

这些地址由IEEE来维护和分配。

网络地址是一个16位IEEE地址，是当设备加入网络后分配的，通常也称为短地址。

它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据，当然不同的网络16位短地址可能相同的。

2.4ZigBee设备类型

ZigBee设备类型有三种：

协调器、路由器和终端节点。

ZigBee协调器（Coordinator）它是整个网络的核心，是ZigBee网络的第一个开始的设备，它选择一个信道和网络标识符（PANID），建立网络，并且对加入的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。

在同一个ZigBee网络中，只允许一个协调器工作，当然它也是不可缺的设备。

如下图所示为ZigBee协调器。

ZigBee路由节点，它的作用是提供路由信息。

ZigBee终端节点（End-Device）ZigBee终端节点，它有没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。

如下图所示为一ZigBee终端节点。

2.5ZigBee网络的形成

首先，由ZigBee协调器建立一个新的ZigBee网络。

一开始，ZigBee协调器会在允许的通道内搜索其它的ZigBee协调器。

并基于每个允许通道中所检测到的通道能量及网络号，选择唯一的16位PANID，建立自己的网络。

一旦一个新网络被建立，ZigBee路由器与终端设备就可以加入到网络中了。

网络形成后，可能会出现网络重叠及PANID冲突的现象。

协调器可以初始化PANID冲突解决程序，改变一个协调器的PANID与信道，同时相应修改其所有的子设备。

通常，ZigBee设备会将网络中其它节点信息存储在一个非易失性的存储空间-邻居表中。

加电后，若子节点曾加入过网络，则该设备会执行孤儿通知程序来锁定先前加入的网络。

接收到孤儿通知的设备检查它的邻居表，并确定设备是否是它的子节点，若是，设备会通知子节点它在网络中的位置，否则子节点将作为一个新设备来加入网络。

而后，子节点将产生一个潜在双亲表，并尽量以合适的深度加入到现存的网络中。

通常，设备检测通道能量所花费的时间与每个通道可利用的网络可通过ScanDuration扫描持续参数来确定，一般设备要花费1分钟的时间来执行一个扫描请求，对于ZigBee路由器与终端设备来说，只需要执行一次扫描即可确定加入的网络。

而协调器则需要扫描两次，一次采样通道能量，另一次则用于确定存在的网络。

3、ZigbeeV25使用指南

3.1烧写程序

将烧写器与zigbee设备连接，打开烧写软件SmartRFFlashProgrammer，按一下烧写器上的按键，则SmartRFFlashProgrammer上出现如下图的7红框中蓝色情况，说明已经和芯片连接上，点击6出选择所要烧写的程序，选中8，并在2处前打上勾，点击4便可烧写，5为烧写进度指示；1处写入MAC地址，记住每隔两个数字之间是一个空格，写完16位数后，点3处将MAC地址写到芯片中。

3.2参数配置

3.2.1协调器配置

将协调器通过USB线连接至PC机，打开“无线传感网实验平台软件”，选择“基础配置”页面，选择串口号（此处的COM口编号，要与实际情况一致），点击“Open”按钮，与协调器建立通信。

点击网络参数设置区域的“Read”按钮，软件界面会显示协调器的MAC地址、PANID、Channel等网络参数，可以对其进行修改，并点击“Write”按钮将其保存。

注意：

MAC地址是每个器件在烧录程序是就需要写入的，故在此处无法修改。

同一个网络的PANID、Channel是一致的，无论是协调器还是节点板，否则无法组成同一个网络。

3.2.2节点板配置

将节点板通过USB线连接至PC机，打开“无线传感网实验平台软件”，选择“基础配置”页面，选择串口号（此处的COM口编号，要与实际情况一致），点击“Open”按钮，与节点板建立通信。

点击网络参数设置区域的“Read”按钮，软件界面会显示协调器的MAC地址、PANID、Channel等网络参数，可以对其进行修改，并点击“Write”按钮将其保存。

点击节点板参数设置处的“Read”按钮，软件界面会显示板号、板类型、采样间隔、配置设备等参数，可以对其进行相应的修改，并点击“Write”按钮将其保存。

注意：

板类型、配置的设备必须符合实际的连接安装情况，否则无法正常的工作。

具体板类型与相应功能请参照《无线传感网ZigbeeV25节点板参数设置》。

3.2.3XML文件配置

使用记事本打开“无线传感网实验平台软件”文件夹内的“WirelessSensorNetworkConfig.xml”文件，修改文件中的串口号以及各节点板的MAC地址，保存并退出。

3.3传感控制器连接及系统组网

3.3.1传感控制器连接

将各个传感控制器器分别与节点板相连接，其连接方式必需和软件的配置一致，否则无法正常工作。

传感控制节点的连接方式如下图所示，此图为烟雾传感器，所有设备的接口都是一致的，注意不要插反。

步进电机和直流电机除了要把底板连上外，还需要把电机接到底板上，连接方法如下图所示。

注意：

直流电机（风扇）的黄线不与底板连接。

3.3.2系统组网

首先打开协调器，然后依次打开各个节点板，如果之前的配置正确，我们可以在协调器的液晶屏幕上看到对应的空心方块变成实心的。

打开“无线传感网实验平台软件”，选择“设备状态”页面，如果之前的配置正确，可以在软件界面上读取协调现在的状态，并可以获取各个节点板上传的数据。

3.4传感数据采集

在系统已经正确组网的前提下，选择“设备控制”页面，在设备栏可以查看到每一个加入网络的节点设备，选择相应的设备，在页面下方会绘制出相应传感器数据的曲线图。

3.5设备控制

在系统已经正确组网的前提下，选择“设备控制”页面，在设备栏可以查看到每一个加入网络的节点设备，选择相应的设备，点击相应的按键，上位机会发送相应的命令给各个设备并控制该设备。

此时选择“指令流”页面会把所有命令的指令数据显示出来，勾选相应的指令后，点击“输出答题结果”，可以将相应的指令数据保存下来。

“无线传感网实验平台软件”不但可以通过按键来发送命令，还可以使用手工输入指令的方式向节点板发送数据命令。

注意：

该功能区域的指令均为十六进制数，具体数据格式请参照《无线传感网ZigbeeV25手工数据格式》。

4、无线传感网安装

4.1节点板的安装

安装示意图如下：

（正面）

（反面）

（侧面）

4.2协调器的安装

安装示意图如下：

（正面）

（反面）

（侧面）

4.3设备墙面安装

用四颗螺丝把节点板安装到模拟墙的指定位置上。