Zigbee网络原理与应用教案.docx
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Zigbee网络原理与应用教案
计算机与信息技术学院
课程教案
专业物联网工程
课程Zigbee网络原理与应用
讲授人姚建峰
2015年9月10日
（一）课程名称：
Zigbee网络原理与应用
（二）学时学分：
周4学时，3学分
（三）预修课程：
电子线路、数字逻辑、计算机组成原理、高级语言程序设计
（四）使用教材
ZigBee技术与实训教程――基于CC2530的无线传感网技术，清华大学出版社，2014年5月第1版
（五）教学参考书（3本以上）
1、李文仲编著：
《Zigbee2006无线网络与无线定位实战》，北京航空航天大学出版社，2008年1月第1版；
2、王小强编著：
《Zigbee无线传感器网络设计与实现》，化学工业出版社，2012年6月第1版；
3、郭渊博编著：
《Zigbee技术与应用》，国防工业出版社，2010年6月第1版。
（六）教学方法：
课堂讲授，课堂演示，师生互动，理论与实验结合教学。
（七）教学手段：
多媒体教学。
（八）考核方式：
闭卷考试。
（九）学生创新精神与实践能力的培养方法：
结合实验、具体应用、小组讨论等方式使学生掌握Zigbee技术开发的基本方法，提高学生分析问题和解决问题的能力，培养学生的动手能力和创新能力。
（十）其它要求：
严格考勤，学生课堂表现和实验完成情况占学生成绩的30%，期末成绩占70%。
第一章无线传感器网络
教学时数：
2学时
教学目的与要求：
主要让学生理解无线传感网络的主要概念，了解无线传感网络的发展历程、研究现状与研究前景、应用领域，掌握无线传感网络的特点、网络体系结构、关键技术。
教学重点：
无线传感器网络体系结构。
教学难点：
无线传感器网络的关键技术。
第一节无线传感器网络概述（了解）
1.无线传感器网络的概念：
无线传感器网络就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。
2.无线传感器网络的发展历程：
第一阶段:
最早可以追溯至越战时期使用的传统的传感器系统。
当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，“胡志明小道”是胡志明部队向南方游击队输送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但效果不大。
后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器。
“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。
只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段:
二十世纪80年代至90年代之间。
主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。
这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。
因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。
第三阶段:
21世纪开始至今，也就是9·11事件之后。
这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。
除了应用于反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室－－橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
3.无线传感器网络研究现状：
（1）国外无线传感器网络的研究现状
1998年，美国国防部提出了“智能尘埃”的概念，最先开始无线传感器网络技术的研究，目的是为监控敌方的活动情况而不被察觉。
2001年，美国陆军提出“灵巧传感器网络通信”计划，将无人值守式弹药、传感器和未来战斗系统所用的机器人系统连成网络，以便成倍提高单一传感器的能力，从而提高未来战斗系统的生存能力。
2002年，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”。
美国科学基金委员会2003年制定了无线传感器网络研究计划，研究领域涉及能感知有毒化学物、生物攻击等的传感器节点、分布环境下传感器网络的特性等问题。
2005年，对网络技术和系统的研究计划中，主要研究下一代可靠性高、安全的可扩展的网络、可编程的无线网络及传感器系统的网络特性，资助金额达4000万美元。
此外，美国交通部、能源部、美国国家航空航天局也相继启动了相关的研究项目。
美国著名院校几乎都有研究小组在从事无线传感器网络相关技术的研究。
（2）国内无线传感器网络的研究现状
我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息与自动化领域研究报告”中。
国内的一些科研单位和大学，如中国科学院自动化所、软件及清华大学、哈尔滨工业大学从2002年开始在时间同步与定位、传感器数据管理系统方面开展了研究工作。
重庆大学也在同一时间开始研究嵌入式无线传感器网络节点、可重构技术、无线传感器中的定位等技术。
2004年，中国国家自然科学基金委员会将一项无线传感器网络项目（面上传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论）列为重点研究项目；2005年，将无线传感器网络基础理论和关键技术列入计划；2006年初发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》为信息技术定义了3个前沿方向，其中2个与无线传感器网络的研究直接相关，即智能感知技术和自组织网络技术。
4.无线传感器网络的特点：
（1）硬件资源有限；
（2）电源容量有限；
（3）通信能量有限；
（4）计算能力有限；
（5）节点数量众多，分布密集；
（6）自组织、动态性网络；
（7）以数据为中心的网络；
（8）多跳路由；
（9）应用相关的网络；
（10）传感器节点出现故障的可能性较大。
5.无线传感网络的应用
（1）智能交通；
（2）智能农业；
（3）医疗健康；
（4）工业监控；
（5）军事应用；
（6）灾难救援；
（7）智能家居；
（8）其它：
在许多新兴领域中也能体现其较好的优越性，如：
空间探索、智能物流、灾害防范和环境监测等领域。
第二节无线传感器网络体系结构和关键技术（重点）
1.传感器节点的组成
传感器节点是无线传感器网络的基本功能单元。
传感器节点基本组成模块有：
传感单元、处理单元、通信单元以及电源部分。
处理器模块是传感器节点的核心，负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与传输等。
2.无线传感器网络体系结构
一个典型的无线传感器网络的系统架构包括分布式无线传感器节点、汇聚节点和管理节点。
这些节点群随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。
（1）传感器节点
传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它们的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带有限能量的电池供电。
从功能上看这些节点，它们不仅要对本地收集的信息进行收集及处理，而且要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其他节点协作完成一些特定的任务。
（2）汇聚节点
汇聚节点的各方面能力相对于传感器节点而言相对比较强，它连接传感器网络、Internet等外部网络，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。
（3）管理节点
管理节点对传感器网络进行管理，发布监测任务以及收集监测数据。
3.无线传感器网络协议体系结构
无线传感器网络体系由分层的网络通信协议、网络管理平台以及应用支撑平台这3部分组成。
（1）分层的网络通信协议：
由物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层组成。
物理层：
负责信号的调制和数据的收发，所采用的传输介质主要有无线电、红外线、光波等。
WSN推荐使用免许可证频段（ISM）。
物理层的设计既有不利因素，例如传播损耗因子较大，也有有利的方面，例如高密度部署的无线传感器网络具有分集特性，可以用来克服阴影效应和路径损耗。
数据链路层：
负责数据成帧、帧监测、媒体接入和差错控制。
其中，媒体接入协议保证可靠的点对点和点对多点通信；差错控制则保证源节点发出的信息可以完整无误地到达目标节点。
网络层：
负责路由的发现和维护，由于大多数节点无法直接与网关通信，因此需要通过中间节点以多跳路由的方式将数据传送至汇聚节点。
而这就需要在WSN节点与接收器节点之间多跳的无线路由协议。
传输层：
负责数据流的传输控制，主要通过汇聚节点采集传感器网络内的数据，并使用卫星、移动通信网络、Internet或者其他的链路与外部网络通信，是保证通信服务质量的重要部分。
应用层：
由各种面向应用的软件系统构成。
主要研究的是各种传感器网络应用的具体系统的开发，例如：
作战环境侦查与监控系统，情报获取系统，灾难预防系统等等。
（2）网络管理平台
网络管理平台主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理，主要包括网络故障管理、计费管理、配置管理和性能管理等。
（3）应用支撑平台
应用支撑平台为用户提供各种应用支撑，包括时间定位、节点定位以及向用户提供协调应用服务的接口。
4.无线传感器网络关键技术
（1）时间同步技术
时间同步技术是完成实时信息采集的基本要求，也是提高定位精度的关键手段。
常用方法是通过时间同步协议完成节点间的对时，通过滤波技术抑制时钟噪声和漂移。
（2）定位技术
定位跟踪技术包括节点自定位和网络区域内的目标定位跟踪。
节点自定位是指确定网络中节点自身位置，这是随机部署组网的基本要求。
GPS技术是室外惯常采用的自定位手段，但一方面成本较高，另一方面在有遮挡的地区会失效。
传感器网络更多采用混合定位方法：
手动部署少量的锚节点（携带GPS模块），其他节点根据拓扑和距离关系进行间接位置估计。
目标定位跟踪通过网络中节点之间的配合完成对网络区域中特定目标的定位和跟踪，一般建立在节点自定位的基础上。
（3）分布式数据管理和信息融合
分布式动态实时数据管理是以数据中心为特征的WSN网络的重要技术之一。
该技术通过部署或者指定一些节点为代理节点，代理节点根据监测任务收集兴趣数据。
监测任务通过分布式数据库的查询语言下达给目标区域的节点。
在整个体系中，WSN网络被当作分布式数据库独立存在，实现对客观物理世界的实时和动态的监测。
信息融合技术是指节点根据类型、采集时间、地点、重要程度等信息标度，通过聚类技术将收集到的数据进行本地的融合和压缩，一方面排除信息冗余，减小网络通信开销，节省能量；另一方面可以通过贝叶斯推理技术实现本地的智能决策。
（4）安全技术
安全通信和认证技术在军事和金融等敏感信息传递应用中有直接需求。
传感器网络由于部署环境和传播介质的开放性，很容易受到各种攻击。
但受无线传感器网络资源限制，直接应用安全通信、完整性认证、数据新鲜性、广播认证等现有算法存在实现的困难。
鉴于此，研究人员一方面探讨在不同组网形式、网络协议设计中可能遭到的各种攻击形式；另一方面设计安全强度可控的简化算法和精巧协议，满足传感器网络的现实需求。
（5）精细控制、深度嵌入的操作系统技术
作为深度嵌入的网络系统，WSN网络对操作系统也有特别的要求，既要能够完成基本体系结构支持的各项功能，又不能过于复杂。
从目前发展状况来看，TinyOS是最成功的WSN专用操作系统。
但随着芯片低功耗设计技术和能量工程技术水平的提高，更复杂的嵌入式操作系统，如Vxworks、Uclinux和Ucos等，也可能被WSN网络所采用。
（6） 能量工程
能量工程包括能量的获取和存储两方面。
能量获取主要指将自然环境的能量转换成节点可以利用的电能，如太阳能，振动能量、地热、风能等。
2007年在无线能量传递方面有了新的研究成果：
通过磁场的共振传递技术将使远程能量传递。
这项技术将对WSN技术的成熟和发展带来革命性的影响。
在能量存储技术方面，高容量电池技术是延长节点寿命，全面提高节点能力的关键性技术。
纳米电池技术是目前最有希望的技术之一。
本章思考题
1.什么是无线传感器网络？
2.简述无线传感器网络的发展历程。
3.简述无线传感器网络的特点。
4.简述无线传感器网络的协议体系结构。
5.简述无线传感器网络的关键技术。
第二章IEEE802.15.4无线传感器网络通信标准
教学时数：
2学时
教学目的与要求：
本章主要让学生理解IEEE802.15.4无线传感网络的主要概念，掌握IEEE802.15.4无线传感网络的组成、拓扑结构、协议栈架构、物理层和MAC层规范。
教学重点：
IEEE802.15.4无线传感器网络组成和体系结构、物理层和MAC层规范。
第一节IEEE802.15.4标准
1.IEEE802.15.4标准概述
（1）IEEE802.15.4通信协议是短距离无线通信的IEEE标准，它是无线传感器网络通信协议中物理层与MAC层的一个具体实现。
（2）IEEE802.15.4标准，即IEEE用于低速无线个人域网（LR-WPAN）的物理层和媒体接入控制层规范。
该协议支持两种网络拓扑，即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。
LR-WPAN中的器件既可以使用在关联过程中指配的16位短地址，也可以使用64位IEEE地址。
一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。
2.IEEE802.15.4标准具有的特点：
（1）支持简单器件。
（2）工作频段和数据速率。
（3）数据传输和低功耗。
（4）信标方式和超帧结构。
（5）自配置。
（6）安全性。
3.IEEE802.15.4网络组成
在IEEE802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（FullFunctionDevice,FFD）和精简功能设备（ReducedFunctionDevice,RFD）。
FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。
RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。
这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。
RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PANcoordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。
PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。
4.IEEE802.15.4网络的拓扑结构
（1）IEEE802.15.4网络的拓扑结构的种类
IEEE802.15.4网络根据应用的需要可以组织成两种拓扑结构：
星型网络拓扑结构和点对点网络拓扑结构。
（2）星型网络拓扑结构
在星型结构中，整个网络的形成以及数据的传输由中心的网络协调者集中控制，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。
各个终端设备（FFD或RFD）直接与网络协调者进行关联和数据传输。
（3）点对点网络拓扑结构
点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。
但与星型网络不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何两个设备之都可以直接通信。
第二节IEEE802.15.4网络协议栈架构
1.IEEE802.15.4网络协议栈简介
（1）IEEE802.15.4网络协议栈基于开放系统互连模型（OSI），每一层都实现一部分通信功能，并向高层提供服务。
（2）IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。
PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成。
MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
（3）MAC子层以上的几个层次，包括特定服务的聚合子层（ServiceSpecificConvergenceSublayer，SSCS），链路控制子层（logicallinkcontrol，LLC）等，只是IEEE802.15.4标准可能的上层协议，并不在IEEE802.15.4标准的定义范围之内。
（4）SSCS为IEEE802.15.4的MAC层接入IEEE802.2标准中定义的LLC子层提供聚合服务。
LLC子层可以使用SSCS的服务接口访问IEEE802.15.4网络，为应用层提供链路层服务。
2.物理层PHY规范
（1）物理层PHY的功能
在OSI参考模型中，物理层处于最底层，是保障信号传输的功能层，因此物理层涉及与信号传输有关的各个方面，包括信号发生、发送与接收电路，数据信号的传输编码、同步与异步传输等。
物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间透明地传输各种数据的比特流。
它为链路层提供服务包括：
物理连接的建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编码。
物理层的主要功能分为物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，具体包括以下五方面的功能：
●激活和休眠射频收发器。
●信道能量检测（energydetect）。
●检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication，LQI）。
●空闲信道评估（clearchannelassessment，CCA）。
●收发数据。
物理层管理服务维护一个与物理层相关数据组成的数据库。
（2）信道分配
PHY层定义了三个载波频段用于收发数据。
三个频段总共提供了27个信道（channel）：
868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。
fc=868.3MHzk=0
fc=906+2（k-1）MHzk=1,2,…,10
fc=2405+5（k-11）MHzk=11,12,…,26
（3）物理层的帧结构
物理层协议数据单元帧结构由同步头、物理帧头和物理帧负载组成。
物理帧第一个字段是四个字节的前导码，收发器在接收前导码期间，会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。
帧起始分隔符（start-of-framedelimiter,SFD）字段长度为一个字节，其值固定为0xA7，标识一个物理帧的开始。
收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步，通过搜索SFD字段的值0xA7才能同步到字节上。
帧长度（framelength）由一个字节的低7位表示，其值就是物理帧负载的长度，因此物理帧负载的长度不会超过127个字节。
物理帧的负载长度可变，称之为物理服务数据单元（PHYservicedataunit,PSDU），一般用来承载MAC帧。
3.MAC规范
（1）MAC的功能
MAC子层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务。
前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC子层主要功能包括下面八个方面：
●如果设备是协调器，那么就需要产生网络信标；
●信标的同步；
●支持个域网络（PAN）的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；
●支持无线信道通信安全；
●使用CSMA-CA机制访问物理信道；
●支持时槽保障（guaranteedtimeslot，GTS）机制；
●支持不同设备的MAC层间可靠传输。
●协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；
（2）IEEE802.15.4中的时间同步技术
在IEEE802.15.4中，时间同步通过“超帧”机制实现的。
在IEEE802.15.4中，以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通信。
每个超帧都以网络协调器发出信标帧（beacon）为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。
网络中普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。
超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。
在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，从而可以进入休眠状态以节省能量。
超帧有活跃期间划分为三个阶段：
信标帧发送时段、竞争访问时段（contentionaccessperiod,CAP）和非竞争访问时段（contention-freeperiod,CEP）。
超帧的活跃部分被划分为16个等长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都由协调器设定，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。
在超帧的竞争访问时段，IEEE802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。
在非竞争时段，协调器根据上一个超帧PAN网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。
每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。
如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。
每个GTS中的时槽都指定分配给了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。
IEEE802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。
超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。
竞争时段的功能包括网络设备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请GTS时段，新设备加入当前PAN网络等。
非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数据包。
如果某个设备在非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS阶段直接向该设备发送信息。
（3）LR-WPAN数据传输模型
LR-WPAN网络中存在着三种数据传输方式：
设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。
星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。
LR-WPAN网络中，有两种通信模式可供选择：
信标使能通信和信标不使能通信。
在信标使能的网络中，PAN网络协调器定时广播标帧。
信标帧表示超帧的开始。
设备之间通信使用基于时槽的CSMA-CA信道访问机制，PAN网络中的设备都通过协调器发送的信标帧进行同步。
在时槽CSMA-CA机制下，每当设备需要发送数据帧或命令帧时，它首先定位下一个时槽的边界，然后等待随机数目个时槽。
等待完毕后，设备开始检测信道状态：
如果信道忙，设备需要重新等待随机数目个时槽，再检查信道状态，重复这个过程直到有空闲信道出现。
在这种机制下，确认帧的发送不需要使用CSMA-CA机制，而是紧跟着接收帧发送回源设备。
在信标不使能的通信网络中，PAN网络协调器不发送信标帧，各个设备使用非分时槽的CSMA-CA机制访问信道。
该机制的通信过程如下：
每当设备需要发送数据或者发送MAC命令时，它首先等候一段随机长的时间，然后开始检测信道状态：
如果信道空闲，该设备立即开始发送数据；如果信道忙，设备需要重复上面的等待一段随机时间和检测信道状态的过程，直到能够发送数据。
在设备接收到数据帧或命令帧而需要回应确认帧的时候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用CSMA-CA机制竞争信道。
（4）MAC层帧结构
MAC层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。
每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。
帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。
MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。
帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。
在MAC子层中设备地址有两种格式：
16位（两个字节）的短地址和64位（8个字节）的扩展地址。
16位短地址是设备与PAN网络协调器关联时，由协调器分配的网内局部地址；64位扩展地址是全球惟一地址，在设备进入网络之前就分配好了。
16位短地址只能保证在PAN网络内部是惟一的，所以在使
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