原创 感智物联网工程专业实训实验室建设方案

 

事实上是对无线网络技术提出的新要求

 

2、短程无线网络技术

无线传感网是应用相关性网络，是一种应用中产生和发展的技术，所以不同的应用领域使用不同的网络技术实现，目前实现WSN的主要技术有ZigBee、Wi-Fi、BlueTooth 、UWB等。

针对广义的WSN应用理论及目前众多实际使用场合的特点，以上三种技术中应用最广、开发成本最低的是基于ZigBee技术的无线传感网络实现。

 

 

3、ZigBee无线网络技术

IEEE 802.15.4

    ZigBee 协议使用IEEE 802.15.4 规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE 802.15.4 总共定义了3 个工作频带：2.4 GHz、915 MHz 和868 MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如， 2.4 GHz 频带总共提供16 个信道（信道11-26）、915 MHz 频带提供10个信道（信道1-10）而868 MHz 频带提供1 个信道（信道0）。协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4 GHz 频带提供的数据速率为250 kbps， 915 MHz 频带提供的数据速率为40 kbps 而868 MHz 频带提供的数据速率为20 kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。

    IEEE 802.15.4 MAC 数据包的最大长度为127 字节。每个数据包都由头字节和16 位CRC 值组成。16 位CRC 值验证帧的完整性。此外， IEEE 802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊ACK标志位置1 的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置位了ACK 标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的。接收节点的MAC 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。

 网络配置

    ZigBee无线网络可采用多种类型的配置。星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。协调器是实现了一组很多ZigBee 服务的一种特殊的全功能设备（Full Function Device，FFD）。终端设备可能是FFD或简化功能设备（RFD）。RFD 是最小而且最简单的ZigBee 节点。它只实现了一组最少的ZigBee 服务。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。除了星型网络之外，ZigBee 还可以采用点对点网络、群集或网状（mesh）网络配置。由于群集和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能，因而被称为多跳网络，而星型网络则被称为单跳网络。和任何网络一样，ZigBee 网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制。在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。

 

 

网络关联

    ZigBee 网络可以是ad-hoc 网络，即可以根据需要组建或不组建新的网络。在星型网络配置中，终端设备在可以执行任何数据传输之前将总是搜索网络。新的网络首先由协调器建立。启动时，协调器会搜索附近的其他协调器，如果没有找到协调器，它就会建立一个自己的网络并选择一个惟一的16 位PAN ID。一旦新网络建立，就会允许一个或多个终端设备与此网络相关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。一旦组建了网络，就可能由于物理更改而发生多个网络重叠和PAN ID冲突。在这种情况下，协调器会启动PANID 冲突解决过程并且会有一个协调器将更改其PAN ID和/ 或信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必要的更改。Microchip 协议栈的当前版本不支持PAN ID 冲突解决。根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。一旦关联到网络，终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如果需要的话，协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。Microchip 协议栈的当前版本支持新的关联和孤立通知过程。它仅支持由终端设备启动的离开网络过程。

 

 

 

协议栈架构

    Microchip 协议栈是采用C 语言编写的，可用MPLABC18 和Hi-Tech PICC-18 编译器进行编译。源文件会自动根据所使用的编译器进行必要的更改。Microchip 协议栈设计为仅在Microchip PIC18F 系列单片机上运行。Microchip 协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的MAC 地址、网络表和绑定表。因此，必须使用可自编程的闪存存储器单片机。如果需要的话，可以修改非易失性存储器（NVM）程序来支持任何其他类型的NVM 而不使用可自编程的单片机。此外，该协议栈旨在在PICDEM Z 演示板上运行。但是，它可很容易地移植到任何使用兼容单片机的硬件中。

 

协议栈层

    Microchip 协议栈根据ZigBee 规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口（Application ProgrammingInterfaces， API）则在头文件中定义。协议栈的当前版本不实现安全层。每个层为紧接着的上一层定义一组容易理解的函数。要实现抽象性和模块性，顶层总是通过定义完善的API 和紧接着的下一层进行交互。特定层的C 头文件（如zAPS.h）定义该层所支持的所有API。必须切记，用户应用程序总是与应用编程支持（Application Programming Support，APS）层和应用层（Application Layer， APL）交互。由每层提供的很多API 都是简单的C 语言宏，调用下一层中的函数。此方法可以避免与模块化相关的典型开销。协议栈APIMicrochip 协议栈由很多模块组成。典型的应用程序总是与应用层（APL）和应用支持子层（APS）接口。但是，如果需要的话，也可以简单地将应用程序与其他模块接口并且/ 或者根据需要对它们进行自定义。以下部分仅提供对APL 和APS 模块的详细API 描述。如果需要的话，可以在它们各自的头文件中了解其他模块的API 详细信息。如需最新信息，可以参考实际的源文件。应用层（APL）APL 模块提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。zAPL.c 文件实现了APL 逻辑，而zAPL.h 文件定义APL 模块支持的API。用户应用程序将包含zAPL.h 头文件来访问其API。

 

    

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