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1、 计算机网络 课件制作人 谢希仁 第6章 传感器网络协议的技术标准 6 1技术标准的意义 无线传感器网络的价值就在于它的低成本和可以大量部署 为了降低产品成本 扩大市场和实现规模效益 传感器网络的某些特征和共性技术必须实现标准化 这样来自不同产商的产品才能协同工作 无线传感器网络的标准化工作受到了许多国家及国际标准组织的普遍关注 已经完成了一系列草案甚至标准规范的制定 其中最出名的就是IEEE802 15 4 ZigBee规范 它甚至已经被一部分研究及产业界人士视为传感器网络的标准 IEEE802 15 4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范 ZigBee则定义了网络互联 传输和应用规范
2、目前传感器网络标准化工作的两个公认成果是IEEE1451接口标准和IEEE802 15 4低速率无线个域网协议 6 2IEEE1451系列标准 1 IEEE1451标准的诞生 基于各种现场总线标准的分布式测量和控制系统得到了广泛的应用 这些系统所采用的控制总线网络多种多样 千差万别 其内部结构 通讯接口 通讯协议等各不相同 目前市场上在通讯方面所遵循的标准主要包括IEEE803 2 以太网 IEEE802 4 令牌总线 IEEEFDDI 光纤分布式数据界面 TCP IP 传输控制协议 互联协议 等 以此来连接各种变送器 包括传感器和执行器 要求所选的传感器 执行器必须符合上述标准总线的有关规定
3、 一般说来 这类测控系统的构成可以采用如图所示的结构来描述 IEEE1451系列标准是由IEEE仪器和测量协会的传感器技术委员会发起制订的 由于现场总线标准不统一 各种现场总线标准都有自己规定的通信协议 且互不兼容 从而给智能传感技术的应用与扩展带来不利 IEEE1451标准族就是在这样的情况下提出来的 制订IEEE1451标准的目的就是通过定义一套通用的通信接口 以使变送器 传感器 执行器 能够独立于网络 并与现有基于微处理器的系统 仪器仪表和现场总线网络相连 解决不同网络之间的兼容性问题 并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性 IEEE1451标准定义了变送器的软 硬件接口 而且该族
4、的所有标准都支持 变送器电子数据表 TEDS 的概念 为变送器提供了自识别和即插即用的功能 IEEE1451标准将传感器分成两层模块结构 第一层模块结构用来运行网络协议和应用硬件 称为 网络适配器 NCAP 第二层模块为 智能变送器接口模块 STIM 其中包括变送器和电子数据表格TEDS IEEE1451 1标准的智能变送器模型 IEEE1451 2标准称为变送器与微处理器通信协议和变送器电子数据表格式 IEEE1451 3标准称为分布式多点系统数字通信和变送器电子数据表格式 IEEE1451 4标准称为混合模式通信协议和变送器电子数据表格式 这是一项实用的技术标准 它使变送器电子数据表格与模
5、拟测量相兼容 IEEE1451系列标准的组成结构如图所示 这些标准可以在一起应用 构成多种网络类型的智能传感器系统 也可以单独使用 IEEE还在着手制定无线连接各种传感设备的接口标准 该标准的名称为 IEEEP1451 5 主要用于利用电脑等主机设备综合管理建筑物内各传感设备获得的数据 IEEE1451 5提议标准主要是为智能传感器的连接提供无线解决方案 尽量减少有线传输介质的使用 6 3IEEE802 15 4标准 6 3 1IEEE802 15 4标准概述 无线传感器网络的底层标准一般沿用无线个域网 IEEE802 15 的相关标准部分 无线个域网 WPAN 的出现比传感器网络要早 通常定
6、义为提供个人及消费类电子设备之间进行互联的无线短距离专用网络 无线个域网专注于便携式移动设备之间的双向通信技术问题 其典型覆盖范围一般在10米以内 IEEE802 15工作组就是为完成这一使命而专门设置的 且已经完成一系列相关标准的制定工作 其中就包括了被广泛用于传感器网络的底层标准IEEE802 15 4 IEEE802 15 4标准定义的LR WPAN网络具有如下特点 1 在不同的载波频率下实现20kbps 40kbps和250kbps三种不同的传输速率 2 支持星型和点对点两种网络拓扑结构 3 有16位和64位两种地址格式 其中64位地址是全球惟一的扩展地址 4 支持冲突避免的载波多路侦
7、听技术 CSMA CA 5 支持确认机制 保证传输可靠性 IEEE802 15 4标准主要包括物理层和MAC层的标准 6 3 2物理层 IEEE802 15 4标准规定物理层负责如下任务 激活和去活无线收发器 当前信道的能量检测 发送链路质量指示 CSMA CA的空闲信道评估 信道频率的选择 数据发送与接收 IEEE802 15 4标准定义了27个信道 编号为0 26 跨越3个频段 具体包括2 4GHz频段的16个信道 915MHz频段的10个信道 868MHz频段的1个信道 这些信道的频段中心定义如下 其中k表示信道编号 fc 868 3MHZk 0fc 906 2 k 1 MHzk 1 2
8、 10fc 2405 5 k 11 MHzk 11 12 26 1 物理层服务规范 物理层 PHY 通过射频连接件和硬件提供MAC层和无线物理信道之间的接口 物理层在概念上提供 物理层管理实体 PLME 该实体提供了用于调用物理层管理功能的管理服务接口 物理层的组件和接口如图所示 物理层提供两种服务 通过物理层数据服务接入点提供物理层的数据服务 通过PLME的服务接入点提供物理层的管理服务 2 物理层帧结构 前导码由32个0组成 用于收发器进行码片或者符号的同步 帧起始定界符 SFD 域由8位组成 表示同步结束 数据包开始传输 SFD与前导码构成同步头 帧长度由7位组成 表示物理服务数据单元
9、PHYservicedataunit PSDU 的字节数 其中0 4和6 7位为保留值 帧长度域和1位的保留位构成了物理头 PSDU域是变长的 携带PHY数据包的数据 包含介质访问控制协议数据单元 PSDU域是物理层的载荷 6 3 3MAC子层 1 MAC层服务规范 MAC层为业务相关的会聚子层 SSCS 和物理层提供接口 MAC层在概念上提供介质访问控制层管理实体 MLME 负责用于调用MAC层管理功能的管理服务接口 MLME还负责维护属于MAC层的管理对象数据库 该数据库被称为 MAC层的个域网信息库 PIB 2 MAC层的帧结构 MAC层的通用帧结构由帧头 MAC负载和帧尾构成 帧头的域
10、都以固定的顺序出现 不过寻址域不一定要在所有帧都出现 帧控制域的长度是16位 包含帧类型定义 寻址域和其它控制标志等 序列号域的长度是8位 为每个帧提供唯一的序列标识 目标PAN标识域的长度是16位 内容是指定接收方的唯一PAN标识 根据寻址模式域中指定的寻址模式 目标地址域的长度可以是16或者64位 内容是指定接收方的地址 源PAN标识域的长度是16位 内容是发送帧设备的唯一PAN标识 根据寻址模式域中指定的寻址模式 源地址域的长度可以是16或者64位 内容是发送帧的设备地址 帧负载域长度可变 根据不同的帧类型其内容各不相同 FCS域的长度是16位 6 4ZigBee协议标准 6 4 1Zi
11、gBee概述 1 ZigBee的由来 ZigBee技术是一种面向自动化和无线控制的低速率 低功耗 低价格的无线网络方案 在ZigBee方案被提出一段时间后 IEEE802 15 4工作组也开始了一种低速率无线通信标准的制定工作 最终Zigbee联盟和IEEE802 15 4工作组决定合作共同制定一种通信协议标准 该协议标准被命名为 ZigBee ZigBee的通信速率要求低于蓝牙 由电池供电设备提供无线通信功能 并希望在不更换电池并且不充电的情况下正常工作几个月甚至几年 ZigBee无线设备工作在公共频段上 全球2 4GHz 美国915MHz 欧洲868MHz 传输距离为10 75m 具体数值
12、取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗 ZigBee的通信速率在2 4GHz时为250kbps 在915MHz时为40kbps 在868MHz时为20kbps 相对于现有的各种无线通信技术 ZigBee是最低功耗和成本的技术 由于ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点 决定了它适合于承载数据流量较小的通信业务 传输距离 传输距离 协议芯片是协议标准的载体 也是最容易体现知识产权的一种形式 目前市场上出现了较多的ZigBee芯片产品及解决方案 有代表性的包括Jennic公司的JN5121 JN5139 Chipcon公司的CC2430 CC2431 被TI公司收购 和Freescale公司
13、MC13192 Ember公司的EM250等系列的开发工具和芯片 2 ZigBee协议框架 完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层 应用汇聚层 网络层 数据链路层和物理层组成 数据链路层可分为逻辑链路控制子层 LLC 和介质访问控制子层 MAC 物理层采用直接序列扩频 DSSS 技术 定义了三种流量等级 当频率采用2 4GHz时 使用16信道 能够提供250kbps的传输速率 当采用915MHz时 使用10信道 能够提供40kbps的传输速率 当采用868MHz时 使用单信道 能够提供20kbps的传输速率 直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路设计变得简单 且具有更高的容错性能 适合低端系统
14、的实现 ZigBee主要界定了网络 安全和应用框架层 通常它的网络层支持三种拓扑结构 星型 Star 结构 网状 Mesh 结构和簇树型 ClusterTree 结构 星型网络最常见 可提供很长时间的电池使用寿命 网状网络可有多条传输路径 它具有较高的可靠性 簇树型网络结合了星型和网状型结构 既有较高的可靠性 又节省电池能量 功能简化型设备是网络中简单的发送接收节点 它一般由电池供电 只与功能完备型设备连接通信 功能完备型设备是一种功能完备的设备 可完成路由任务 充当网络协调器 它可与其它的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信 一般接有线电源 ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器 路由
15、器和终端设备 协调器的作用在于启动网络初始化 组织网络节点和存储各节点信息 路由器设备的作用是管理每对节点的路由信息 终端设备相当于网络中的叶节点 可以是任意类型的物理设备 ZigBee技术的主要特点包括 1 数据传输速率低 数据率只有10kbps 250kbps 专注于低传输应用 2 有效范围小 有效覆盖范围10 75m之间 具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定 3 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4GHz 868MHz 欧洲 及915MHz 美国 均为无需申请的ISM频段 4 省电 由于工作周期很短 收发信息功耗较低 以及采用了休眠模式 ZigBee可确保两节五号电池支持长
16、达6个月至2年左右的使用时间 当然不同应用的功耗有所不同 3 ZigBee的技术特点 5 可靠 采用碰撞避免机制 避免了发送数据时的竞争和冲突 6 成本低 由于数据传输速率低 并且协议简单 降低了成本 另外使用ZigBee协议可免专利费 7 时延短 设备搜索时延的典型值为30ms 休眠激活时延的典型值是15ms 活动设备信道接入时延为15ms 8 网络容量大 一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和一个主设备 一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络 9 安全 ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能 加密算法采用AES 128 应用层安全属性可根据需求来配置 6 4 2网络层规范 网络层从功能上为IEEE802 15 4MAC子层提供支持 为应用层提供合适的服务接口 为了实现与应用层的接口 网络层从逻辑上分为两个具备不同功能的服务实体 分别是数据实体和管理实体 ZigBee网络层的帧结构 帧控制域 由16位组成 内容包括帧种类 寻址 排序域和其它的控制标志位 目标地址域 必备 有两个8位字节长 用来存放目标设备的16位网络地址或者广播地址 0 xffff 源地址域 必
