無線通教學(xué)講解課件

ZigBee無線通訊技術(shù)交通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)ZigBee無線通訊技術(shù)交通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)1教學(xué)目的介紹ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包擴IAR集成開發(fā)環(huán)境，ZigBee硬件接口，協(xié)議棧移植與應(yīng)用掌握基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用，會使用常見的ZigBee開發(fā)工具與軟件。教學(xué)目的介紹ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包擴IAR集2ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)概念ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。因此它具備簡單、方便、穩(wěn)定和低成本等特點。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)概念3ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)的工作頻段與規(guī)范ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)的工作頻段與規(guī)范4ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)特點數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個設(shè)備。時延短：通常時延都在15ms~30ms。安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。有效范圍小：有效覆蓋范圍10~75米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)特點5ZigBee硬件接口介紹常見的ZigBee硬件方案MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的單芯片SOC方案如：TICC2430/CC2431、STSTM32W108、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCUZigBee硬件接口介紹常見的ZigBee硬件方案6ZigBee硬件接口介紹CC2530處理器硬件接口微控制器 高性能和低功耗的增強型8051微控制器內(nèi)核； 32/64/128/256KB系統(tǒng)可編程閃存、支持硬件調(diào)試； 8KBRAM外設(shè)接口 21個可配置通用IO引腳； 2個同步串口； 1個看門狗定時器； 5通道DMA傳輸； 1個IEEE802.15.4標(biāo)準MAC定時器和3個通用定時器； 1個32MHz睡眠定時器； 1數(shù)字接收信號強度指示RSSI/LQI支持； 8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配分辨率，內(nèi)置電壓、溫度傳感器檢測； 1個AES安全加密協(xié)處理器；ZigBee硬件接口介紹CC2530處理器硬件接口7ZigBee硬件接口介紹STM32WARM處理器硬件接口STM32W是一款系統(tǒng)級（SoC）芯片，整合最優(yōu)異的IEEE802.15.4射頻性能與32位ARMCortex-M3處理器。STM32W系列的軟件包括支持最新的ZigBeePRO規(guī)范以及ZigBeeRF4CEIEEE802.15.4MAC的軟件庫以及6LoWPAN無線嵌入式互聯(lián)網(wǎng)解決方案協(xié)議。處理器型號為32位STM32W108，豐富的存儲資源：128K字節(jié)Flash，8K字節(jié)RAM。ZigBee硬件接口介紹STM32WARM處理器硬件接口8ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境常見的ZigBee軟件規(guī)范及協(xié)議棧freakz協(xié)議棧和contiki操作系統(tǒng)msstatePAN協(xié)議棧(精簡版ZigBee協(xié)議棧)EmberZNet協(xié)議棧(ST)BeeStack(Freescale)SimpliciTI協(xié)議棧(TI)Z-Stack協(xié)議棧和OSAL操作系統(tǒng)(TI)TinyOS操作系統(tǒng)ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境常見的ZigBee9ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境TIZ-Stack協(xié)議棧軟件層次物理層：負責(zé)將數(shù)據(jù)通過發(fā)射天線發(fā)送出去及從天線接收數(shù)據(jù)。介質(zhì)訪問控制層：提供點對點數(shù)據(jù)的確認及一些用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和形成的命令。網(wǎng)絡(luò)層：主要是對網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的支持，如在全網(wǎng)范圍內(nèi)發(fā)送廣播包，為單播數(shù)據(jù)包選擇路由，確保數(shù)據(jù)包能夠可靠的從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點，此外，網(wǎng)絡(luò)層還具有安全特性，用戶可以自行選擇所需要的安全策略。應(yīng)用程序支持子層:提供一些API函數(shù)供用戶調(diào)用，此外，綁定表也是存儲在應(yīng)用程序支持子層。ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境TIZ-Stack10ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境STEmberZnet協(xié)議棧介紹ZigBee協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層技術(shù)規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，ZigBee協(xié)議棧就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境STEmberZn11ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境IAR集成開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建設(shè)備類型開發(fā)板預(yù)編譯宏硬件代碼空間工程編譯工程下載ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境IAR集成開發(fā)環(huán)境的12Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)OSAL系統(tǒng)初始化流程整個Z-Stack的主要工作流程，分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務(wù)輪循幾個階段。系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)行Zmain文件夾中ZMain.c的主函數(shù)開始系統(tǒng)初始化。當(dāng)順利完成上述初始化時，執(zhí)行osal_start_system()函數(shù)開始運行OSAL系統(tǒng)。Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)OSAL系統(tǒng)初始化流程13Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)MT層任務(wù)的應(yīng)用MT模塊提供了協(xié)議棧與上位機軟件交互的接口。它利用串口進行數(shù)據(jù)的物理傳輸，并定義了串口數(shù)據(jù)包的格式，同時定義了數(shù)據(jù)包的封裝、解析與處理方法。協(xié)議棧在接收到上位機串口數(shù)據(jù)包后，將由串口回調(diào)函數(shù)調(diào)用MT層任務(wù)進行處理。Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)MT層任務(wù)的應(yīng)用14Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)SampleApp無線自組網(wǎng)解析協(xié)議棧自帶的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)自啟動(組網(wǎng))樣例，該實驗實現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(組網(wǎng))，節(jié)點設(shè)備自動入網(wǎng)，之后兩者建立無線通訊Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)SampleApp無線自組網(wǎng)解析15Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)添加用戶自定義任務(wù)方法Z-Stack協(xié)議棧以O(shè)SAL貫穿始終，用戶要添加自己的應(yīng)用，需要以任務(wù)的方式實現(xiàn)。協(xié)議棧中已經(jīng)將底層的任務(wù)模塊(必要任務(wù))完成，且留有應(yīng)用層相應(yīng)的接口。OSAL_XXX.c文件中定義了當(dāng)前工程的任務(wù)與OSAL操作系統(tǒng)的函數(shù)接口。Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)添加用戶自定義任務(wù)方法16常見ZigBee軟件應(yīng)用Z-Tools工具集使用Z-Tool.exeZ-Network.exeZOAD.exe常見ZigBee軟件應(yīng)用Z-Tools工具集使用17常見ZigBee軟件應(yīng)用SmartRF04ProgramerFLASH編程軟件閃存編程軟件(修改IEEE地址)，確保網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點的64bitsIEEE地址唯一。該軟件的使用，要確保IAR工程為非調(diào)試下載模式。常見ZigBee軟件應(yīng)用SmartRF04Programer18ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通訊實驗CC2530硬件接口實驗Z-Stack協(xié)議棧無線組網(wǎng)入門實驗基于ZigBee無線網(wǎng)的溫度采集傳輸實驗上位機控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊實驗基于無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)透傳實驗ZigBeeSensor無線傳感網(wǎng)演示實驗物聯(lián)網(wǎng)智能交通系統(tǒng)之智能車輛無線控制實訓(xùn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通訊實驗CC2530硬件接口實驗19思考題ZigBee技術(shù)有哪些特點？簡述常見的ZigBee軟硬件方案？結(jié)合Z-Stack協(xié)議棧簡述ZigBee無線網(wǎng)的自啟動過程？ZigBee有哪幾種設(shè)備類型？網(wǎng)絡(luò)拓撲是怎么樣的？ZigBee無線局域網(wǎng)如何與外網(wǎng)進行數(shù)據(jù)交換或通訊？如何基于ZigBee無線網(wǎng)搭建傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)？思考題ZigBee技術(shù)有哪些特點？20思考題物聯(lián)網(wǎng)信息感知層技術(shù)如何分類？常見傳感器的分類？什么是電阻式傳感器的壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)？數(shù)字型溫濕度傳感器的補償算法如何實現(xiàn)？智能傳感器有哪些特點？思考題物聯(lián)網(wǎng)信息感知層技術(shù)如何分類？21ZigBee無線通訊技術(shù)交通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)ZigBee無線通訊技術(shù)交通物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)22教學(xué)目的介紹ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包擴IAR集成開發(fā)環(huán)境，ZigBee硬件接口，協(xié)議棧移植與應(yīng)用掌握基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸與應(yīng)用，會使用常見的ZigBee開發(fā)工具與軟件。教學(xué)目的介紹ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)知識，包擴IAR集23ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)概念ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。因此它具備簡單、方便、穩(wěn)定和低成本等特點。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)概念24ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)的工作頻段與規(guī)范ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)的工作頻段與規(guī)范25ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)特點數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒~250KB/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)普通5號電池可使用6~24個月成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個設(shè)備。時延短：通常時延都在15ms~30ms。安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。有效范圍?。河行Ц采w范圍10~75米，具體依據(jù)實際發(fā)射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時隙。ZigBee技術(shù)簡介ZigBee技術(shù)特點26ZigBee硬件接口介紹常見的ZigBee硬件方案MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的單芯片SOC方案如：TICC2430/CC2431、STSTM32W108、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCUZigBee硬件接口介紹常見的ZigBee硬件方案27ZigBee硬件接口介紹CC2530處理器硬件接口微控制器 高性能和低功耗的增強型8051微控制器內(nèi)核； 32/64/128/256KB系統(tǒng)可編程閃存、支持硬件調(diào)試； 8KBRAM外設(shè)接口 21個可配置通用IO引腳； 2個同步串口； 1個看門狗定時器； 5通道DMA傳輸； 1個IEEE802.15.4標(biāo)準MAC定時器和3個通用定時器； 1個32MHz睡眠定時器； 1數(shù)字接收信號強度指示RSSI/LQI支持； 8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配分辨率，內(nèi)置電壓、溫度傳感器檢測； 1個AES安全加密協(xié)處理器；ZigBee硬件接口介紹CC2530處理器硬件接口28ZigBee硬件接口介紹STM32WARM處理器硬件接口STM32W是一款系統(tǒng)級（SoC）芯片，整合最優(yōu)異的IEEE802.15.4射頻性能與32位ARMCortex-M3處理器。STM32W系列的軟件包括支持最新的ZigBeePRO規(guī)范以及ZigBeeRF4CEIEEE802.15.4MAC的軟件庫以及6LoWPAN無線嵌入式互聯(lián)網(wǎng)解決方案協(xié)議。處理器型號為32位STM32W108，豐富的存儲資源：128K字節(jié)Flash，8K字節(jié)RAM。ZigBee硬件接口介紹STM32WARM處理器硬件接口29ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境常見的ZigBee軟件規(guī)范及協(xié)議棧freakz協(xié)議棧和contiki操作系統(tǒng)msstatePAN協(xié)議棧(精簡版ZigBee協(xié)議棧)EmberZNet協(xié)議棧(ST)BeeStack(Freescale)SimpliciTI協(xié)議棧(TI)Z-Stack協(xié)議棧和OSAL操作系統(tǒng)(TI)TinyOS操作系統(tǒng)ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境常見的ZigBee30ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境TIZ-Stack協(xié)議棧軟件層次物理層：負責(zé)將數(shù)據(jù)通過發(fā)射天線發(fā)送出去及從天線接收數(shù)據(jù)。介質(zhì)訪問控制層：提供點對點數(shù)據(jù)的確認及一些用于網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和形成的命令。網(wǎng)絡(luò)層：主要是對網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)的支持，如在全網(wǎng)范圍內(nèi)發(fā)送廣播包，為單播數(shù)據(jù)包選擇路由，確保數(shù)據(jù)包能夠可靠的從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點，此外，網(wǎng)絡(luò)層還具有安全特性，用戶可以自行選擇所需要的安全策略。應(yīng)用程序支持子層:提供一些API函數(shù)供用戶調(diào)用，此外，綁定表也是存儲在應(yīng)用程序支持子層。ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境TIZ-Stack31ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境STEmberZnet協(xié)議棧介紹ZigBee協(xié)議分為兩部分，IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層技術(shù)規(guī)范，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范，ZigBee協(xié)議棧就是將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境STEmberZn32ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境IAR集成開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建設(shè)備類型開發(fā)板預(yù)編譯宏硬件代碼空間工程編譯工程下載ZigBee軟件規(guī)范與IAR集成開發(fā)環(huán)境IAR集成開發(fā)環(huán)境的33Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)OSAL系統(tǒng)初始化流程整個Z-Stack的主要工作流程，分為系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務(wù)輪循幾個階段。系統(tǒng)上電后，通過執(zhí)行Zmain文件夾中ZMain.c的主函數(shù)開始系統(tǒng)初始化。當(dāng)順利完成上述初始化時，執(zhí)行osal_start_system()函數(shù)開始運行OSAL系統(tǒng)。Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)OSAL系統(tǒng)初始化流程34Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)MT層任務(wù)的應(yīng)用MT模塊提供了協(xié)議棧與上位機軟件交互的接口。它利用串口進行數(shù)據(jù)的物理傳輸，并定義了串口數(shù)據(jù)包的格式，同時定義了數(shù)據(jù)包的封裝、解析與處理方法。協(xié)議棧在接收到上位機串口數(shù)據(jù)包后，將由串口回調(diào)函數(shù)調(diào)用MT層任務(wù)進行處理。Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)MT層任務(wù)的應(yīng)用35Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)SampleApp無線自組網(wǎng)解析協(xié)議棧自帶的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)自啟動(組網(wǎng))樣例，該實驗實現(xiàn)的功能主要是協(xié)調(diào)器自啟動(組網(wǎng))，節(jié)點設(shè)備自動入網(wǎng)，之后兩者建立無線通訊Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)SampleApp無線自組網(wǎng)解析36Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)添加用戶自定義任務(wù)方法Z-Stack協(xié)議棧以O(shè)SAL貫穿始終，用戶要添加自己的應(yīng)用，需要以任務(wù)的方式實現(xiàn)。協(xié)議棧中已經(jīng)將底層的任務(wù)模塊(必要任務(wù))完成，且留有應(yīng)用層相